西北边地的争夺
中统、至元初期，元朝西北边地的形势，经历了几度急剧而复杂的变化。
忽必烈和阿里不哥的汗位之争，极大地便利了察合台兀鲁思势力的迅速扩张。阿里不哥在委命阿鲁忽为察合台兀鲁思汗的同时，把统辖西至阿姆河东岸的西域绿洲城邦的权力授给了阿鲁忽；原来由大汗派驻该地区的官员和军队，现在也都改属阿鲁忽。不久，当阿鲁忽改换门庭，归命于忽必烈时，后者又重申了阿鲁忽业已在手的上述既得权益。阿鲁忽在解除了阿里不哥的威胁后，即乘术赤后王与旭烈兀之间发生战争的时机，出兵占领和劫掠阿姆河中游属于术赤后王的重镇讹打剌。接着，他又借大汗在不花剌括户的机会，残杀术赤后王在该城的五千属民，霸占了他们的财产和妻女。这就迫使术赤后王别儿哥决定支持正在向他求援的窝阔台后王海都，与阿鲁忽相抗。海都是窝阔台子合失的儿子，或许是成吉思汗家族中唯一不喝酒（包括马奶子酒）的成员。蒙哥汗夺得汗位的时候，窝阔台系诸王势力遭到严重的打击。他们在阿勒台山外的份地，被分割为若干小块，分授给未参与反对蒙哥的窝阔台子孙们。海都也在这时候徙封海押立（在今哈萨克斯坦共和国塔迪库尔干东北），开始暗暗地重集自己的兵力。中统末年，海都利用术赤后王与察合台兀鲁思之间的矛盾，依靠别儿哥的支持起而反抗阿鲁忽。汗位危机平息以后，忽必烈意图收回对阿勒台以西的控制权。恰在这时，海都的势力发展起来，而且与术赤后王结为联盟，这不能不引起忽必烈对西北局势的关注。至元初，忽必烈把自己相信的察合台诸王八剌派往察合台兀鲁思，企望通过他加强大汗对西北政局的控制。他还遣铁连出使钦察之地，力图离间术赤后王与海都的关系。至元三年（1266）六月，又任命皇子那木罕为北平王，至漠北镇守，增强对阿里不哥系诸王的监视弹压，同时也为从蒙古高原出兵西北边地作好了军事准备。在这个时期，忽必烈还一再诏命海都驰驿入觐。鉴于窝阔台系诸王遭受蒙哥清洗报复的教训，海都对忽必烈的朝觐之命充满疑虑，因此托辞不至。很难说他对祖父曾据有的大汗宝座有多少觊觎之心，但他坚持自己作为窝阔台后王有权控制一块相对独立的分地，声明将在自己“所至之处”服从大汗。忽必烈与海都在互相猜忌之中日趋敌对。
至元五年，海都一部游弋东趋，入岭北，驰突蒙哥子玉龙答失所统巴邻部众。这很可能只是偶然事件，但马上被驻扎在蒙古高原的忽必烈军队视为海都称叛的信号。于是漠北元军出兵，“逆败之于北庭，又追至阿力麻里，则又远遁二千余里，上令勿追”。直到这时，海都似乎还力图避免与忽必烈军正面开战，因此才会从阿力麻里西撤。
海都的西奔，引起了当时的察合台兀鲁思汗八剌的疑惧。八剌深恐海都就此西渡锡尔河，夺取河中，因此急忙出兵拦截，两军在锡尔河畔相遇，发生大战。八剌先胜，海都在获得术赤后王的援兵后再度出战，大败八剌。八剌军退至河中，预备整军再战。
为了避免河中城郭地区遭到更大破坏，海都遣合丹（窝阔台子）的儿子钦察去与八剌约和。1269 年春，术赤兀鲁思、察合台兀鲁思和窝阔台兀鲁思三方会盟于塔剌思河。三方议定：互结为“安答”；河中地区三分之二划归八剌，剩下三分之一属于海都和蒙哥帖木儿；诸王各自退回山地和草原，不得进入城郭地区，不在农耕地上放牧牲畜，也不向城郭居民滥行征发；农耕定居区域的管理仍由麻速忽负责；为了增加八剌的牧场、土地和军队，将由海都派兵，援助八剌西越阿姆河去侵夺伊利汗阿八哈的疆域。翌年开春，八剌便从河中西攻呼罗珊。伊利汗阿八哈在也里（今阿富汗赫拉特）附近设计大败八剌军。八剌败退河中，不久死去。察合台孙聂古伯（撒里班之子）被海都立为察合台兀鲁思的新汗，察合台兀鲁思沦为海都的附庸。海都取得对突厥斯坦和河中的支配权后，对元朝的态度逐渐强硬起来，开始了与元朝在天山南北两路直接对峙和争夺的阶段。
至元八年，忽必烈命北平王那木罕建幕庭于阿力麻里。十年，那木罕趁察合台汗聂古伯与海都不睦，往征之。聂古伯死，不花帖木儿（察合台第七子合答海之子）继位为察合台汗，寻亦死。八剌之子都哇遂立。此两汗均由海都援立。十一年，元廷置畏兀儿断事官；增斡端、鸦儿看（今新疆莎车）水驿，并“诏安慰斡端、鸦儿看、合失合儿等城”（《元史·世祖纪五》）。十二年正月，诏追拘海都、都哇金、银符凡三十四道。
拘收牌符更加激化了双方的冲突。大约十二年夏季，窝阔台系诸王禾忽（贵由子）沿塔里木沙碛南缘进至蒲昌海（即罗布诺尔，在今罗布泊西）一带，断元朝通向巴达黑伤山地的驿路。
都哇和他弟弟不思麻率兵围攻别失八里，应当也在这时候；他们很可能是与禾忽分道征进，即沿天山南麓、塔里木沙漠北缘东袭，然后越过天山直至别失八里城，并一度攻占此城。是后不久，畏兀儿亦都护就从残破的别失八里南徙，移治于哈剌火州（在今新疆吐鲁番以东）。针对海都、都哇东进的形势，元廷派昔班出使海都，谕之罢兵。十二年七月，又诏安童以行中书省、枢密院事，增援阿力麻里，助那木罕镇边。海都被昔班说动，“退军置驿”；而这时安童已经率部“先克火和大王部曲，尽获其辎重”（《元史·昔班传》）。
北方的平定
那木罕所部，除斡赤斤曾孙札剌忽、阔列坚孙兀鲁歹以外全部是拖雷系诸王的军队，包括对忽必烈夺取汗位心怀不满的昔里吉（蒙哥子）、药木忽儿和明理帖木儿（均为阿里不哥子）等等。至元十三年，那木罕所部脱帖木儿（拖雷孙，岁哥都子）先叛，继又诱引昔里吉、药木忽儿等实行兵变。叛王们推昔里吉为大汗，械系那木罕、阔阔出（忽必烈庶子）和安童，分别把他们送到术赤后王忙哥帖木儿和海都处，并欲与二王结盟以抗元朝。可是海都除了乘元军前线大本营瓦解、叛师东移的机会夺得阿力麻里空城外，并不热心于与这位新“大汗”配合行动。昔里吉于当年冬天兴师东逾阿勒台山，回到拖雷系诸王份地所在的岭北地区。途中他们又与另一支叛王撒里蛮（蒙哥孙、玉龙答失子）的部众相合并。这以后几年里，元朝在北线的战事，主要是在岭北地区展开的。
至元十四年春，叛军从他们的吉利吉思、谦州大本营南进，结集在和林北面鄂尔浑河、土拉河一带。夏，漠南元军击溃驻牧应昌的翁吉剌贵族只儿瓦台响应昔里吉的叛乱后，绝漠增援和林地区。七月，伯颜奉诏统领岭北诸军平叛。元军在土拉河、鄂尔浑河连胜叛军。昔里吉等败退吉利吉思。至元十五年，元军在唐麓岭（今唐努山）以南巡弋，逐渐形成对吉利吉思的军事包围。十六、十七两年，双方不断交战，元军一度进至位于叛王巢穴的谦河（今叶尼塞河上源）、兀速水（今叶尼塞河上游支流乌斯河流域）一带。这时叛军已失去继续作战的能力。连叛王中最号强盛的脱帖木儿，亦“以兵屡动而弗战，士马离散，众皆怨忿”。于是叛王之间发生了内讧。昔里吉和撒里蛮互相攻杀。至元十九年，他们先后赴阙谢罪，长达七年的昔里吉之乱遂告结束。至元十七年，术赤后王忙哥帖木儿病死。翌年，脱脱蒙哥继位为金帐汗，将被拘质的那木罕遣回。十九年，昔里吉乱平。元廷因改封北平王那木罕为北安王。看来那木罕东归以后，主要驻扎在岭北。突厥斯坦方向的经略，大约在这前后已由察合台诸王阿只吉负责。岭北局势渐趋平静，岭西地区却又在酝酿一场新的战争。至元十五年以后，元政府不断向别失八里增兵，力图收复天山南路诸城。海都也逐步改变已恪守多年的拥兵观望立场。至元十七年，禾忽子秃古灭袭攻哈剌火州，劫掠附近地区。八年，刘恩率元军击败海都部将，进据斡端；翌年又击退前来攻城的海都系诸王。二十年，海都遣八把率众三万攻斡端，刘恩以众寡不敌，破围退师。元军虽然丢失了斡端，但从二十一年元朝的“游击军”曾进至可失哈儿一带的事实判断，至少北道的曲先（今新疆库车）这时仍被元军控制着。
可能就是在收复斡端之后，海都再次向元廷表示愿意和解，遣回了拘禁于窝阔台兀鲁思的安童和石天麟。二十一年三月，那木罕、安童相继回到漠南。但元朝不甘心轻易放弃天山南路。海都方面未获得预期反应。二十二年，都哇、不思麻领兵十二万，击败诸王阿只吉，进围畏兀儿亦都护所驻之哈剌火州。围城之战持续六个月。城中食尽。火赤哈儿亦都护献女求和。都哇解去。元廷遂派伯颜西巡，取代阿只吉，负责别失八里军事。二十三年，海都以偏师袭阿勒台山地区，自率主力由阿力麻里东进，在马纳思河（今玛纳斯河）与元军交战，击溃元军，掩杀至哈密力之地。畏兀儿亦都护火赤哈儿这时屯驻于哈密力，战死。此后亦都护移治甘肃永昌。海都不久退回。元军重戍于畏兀儿之地。斡端也再度回到元朝控制下。二十四年，西北相对平静，但东北地区爆发了斡赤斤后王乃颜的叛乱。
东北边疆的巩固
斡赤斤份地，位于以哈剌哈河流域为中心的蒙古高原极东地区，这就极便于斡赤斤向哈剌温山以东今松嫩流域扩展自己的势力。窝阔台时期，斡赤斤镇守辽东，反映出他的份地扩至哈剌温山东面的事实已为大汗所承认。蒙哥死后，斡赤斤孙塔察儿以率先推戴忽必烈建功，因此获得忽必烈的恩宠。塔察儿一家在辽东的势力，日渐坐大。他甚至派人到高丽“收拾民户”。
塔察儿孙乃颜为斡赤斤后王时，建于今通肯河支流毕剌河源以西的乃颜城（在今黑龙江拜泉县以南中兴镇东南），应为斡赤斤家族在哈剌温山以东份地的统治中心。忽必烈开府金莲川以后，原来驻牧于开平附近的札剌亦儿、兀鲁等部被移至辽西一线。以后五部成为从东北部护卫两都的重要力量。至元三年二月，调整辽东建制，立东京、广宁、懿州、开元、恤品、合懒、婆娑等路宣抚司。不久又设行省统辽东诸路。至元十五年，复改为宣慰司。至元后期，乃颜反状日益明显；二十三年，以宣慰司“望轻”，重建行省于辽东，先治东京（今辽宁辽阳），寻徙治威平（在今辽宁开原县）。辽东设省虽不到半年就被撤销了，仍然成为催发乃颜之乱的直接原因之一。二十四年四月，乃颜联合哈撒儿后王势都儿、合赤温系诸王哈丹秃鲁干等，举兵称乱。叛军的活动，东线从水达达地直指辽河流域，西面一度达克鲁伦、土拉二河。元朝如不能迅速控制事态发展，就很可能会形成东、西道诸王夹攻岭北、连兵南下的危险局势。因此，乃颜发难次月，忽必烈就亲自率师北征。元军偏师沿哈剌温山东侧北进；忽必烈所部由应昌（旧城在今达尔泊西南）出，缘哈剌温山西侧东北行；戍守杭海岭（今杭爱山）的土土哈则奉命疾驰东趋，渡土拉河，逆克鲁伦河而上，肃清沿途叛军。
六月，忽必烈“至撒儿都鲁之地。乃颜党塔不带率所部六万逼行在而阵”，忽必烈贸然乘象临阵。“意其望见御驾，即就降”。但叛军强弓劲射，悉力攻象舆。忽必烈被迫下舆御马，以汉军前列步战。塔不带惧中伏引退，被元军掩杀，大败而去。元军进至哈尔哈河，占领了乃颜的斡耳朵。这时，乃颜屯兵于今哈拉哈河与其支流诺木尔金河交汇处之东的三角地带不里古都伯塔哈（蒙语börgüt-tü boltagha的音译，意为有鹰的山）。元军由玉昔帖木儿率领，与乃颜决战于此，当时，“卯乌温都间，天日为昼冥。僵尸四十里，流血原野腥”。乃颜军败出逃，被元军追获于失列河流域。忽必烈下令将他处死。玉昔帖木儿逾哈剌温山北端的蒙可山，追乃颜残部至那兀江（今嫩江），师还。乃颜败死后，哈丹秃鲁干和其他东道叛王仍不断起兵作乱，并两次进入高丽骚扰。至元二十九年，元朝完全平息乃颜余部的叛乱，中央政府对辽东地区的统治由此获得巩固。
忽必烈亲征乃颜的那年，元朝西线宁静无事。但在次年即至元二十五年，海都方面又拉开战幕。这次他们的兵锋直逼岭北。二十六年，元朝岭北驻军在皇孙甘麻剌统率下，与海都、都哇会战于杭海山，元军战败东撤。海都军跟踪追击，和林宣慰使、同知、副使等皆叛应之，海都占领和林。七月，忽必烈以七十四岁高龄亲征，从海都手中夺回和林，命伯颜镇守之。时断时续的岭北争夺战，前后进行了五年。二十九年，元将土土哈逐敌直至阿勒台山。岭北局势基本稳定下来。
元朝在西北的军事行动，并没有获得很大的成果，反而屡屡引发海都为维护西北宗王的势力范围而起兵称乱。为削弱元廷对西北的军事压力，海都一再进攻岭北。而当战火烧到岭北的时候，要同时维持远离中原根据地的西域和岭北这两个地区的战事，对忽必烈来说确实有些力不从心。岭北是“祖宗根本之地”。保住岭北对保持号令诸藩兀鲁思的大汗地位至关紧要。为了集中力量确保岭北，元廷被迫收缩它在西北方向的战线。至元二十六年，元朝撤出斡端。自此别失八里从元朝在西北地区的统治中心变为西北前沿的边城。忽必烈死后，元朝虽曾再度在曲先设置都元帅府，但不久就连同别失八里、哈剌火州一起被察合台兀鲁思占有，至是，元朝势力基本上退出中亚。从此元与西北诸藩也大体相安无事。