按照元窝阔台汗元年（1229）宗室诸王的盟约，蒙古大汗之位世世代代由窝阔台的后代承袭。然而，从蒙哥汗开始，大汗之位转到了拖雷一系。由此埋下了宗室失和的种子。忽必烈在位期间推行汉化政策，更加剧了与保守的西北诸王的矛盾，终于爆发了长达四十年之久的海都、笃哇、昔里吉之乱。
海都是窝阔台的孙子，元宪宗蒙哥汗二年（1252）被蒙哥汗封于海押立（今苏联塔尔迪一库尔干东北）。海都对此一直耿耿于怀，蒙哥汗六年（1256）扣押了蒙哥汗的使臣断事官石天麟，后来又支持阿里不哥与忽必烈争位。他还结交术赤汗别儿哥，逐渐控制了窝阔台的封地叶迷立（亦称也迷里，今新疆额敏河流域），成为雄踞于察合台汗国与蒙古本土之间的强大势力。元世祖至元元年（1264）阿里不哥失败后，忽必烈邀请海都参加库里尔台大会。海都以道远马瘦，不堪劳苦为托辞，表示只愿意在自己领地内服从大汗的命令。后忽必烈将蔡州（今河南汝南，辖今渤海西南部）分封给海都，海都仍不为所动。至元三年（1266），察合台汗阿鲁忽去世，堂侄木八剌沙继位。忽必烈派木八剌沙的堂兄弟八剌去辅佐并监视木八剌沙。八剌回国发动兵变，自立为汗。这时，忽必烈封皇子那木罕为北平王，主持西北军务，并派使者说服术赤汗忙帖木儿进攻海都。
至元五年（1268），忽必烈出兵击败海都，追击到阿历麻里（今新疆霍城）。忙哥帖木儿、八剌也出兵攻击海都。海都先和忙哥帖木儿讲和，然后在失儿答里牙（今苏联锡尔河）一线迎击八剌。海都失利，损失惨重。不久，得到忙哥帖木儿的五万援兵，才挽回局面，连连击败八剌。八剌退过失儿河，聚兵募饷，继续与海都周旋。海都为解除后顾之忧，主动与八剌和解，结为俺答（义兄弟）。
至元六年（1269），海都、八剌等在塔剌思（今苏联江布尔召开大会），将察合台领地的三分之二划归八剌，三分之一分属海都和忙哥帖木儿。与会诸王宣誓恪守蒙古传统风俗制度，派遣使者质问忽必烈为何在汉地建都和采用汉法。第二年，八剌去世。海都立八剌堂叔捏古伯为汗。八剌诸子和阿鲁忽诸子不服，联兵进攻海都。
西北诸王混战给了忽必烈从容布置的时机。忽必烈先是任命刘好礼为乞儿吉里、撼合纳、廉州，益兰州等五部（今苏联叶尼塞河流域）断事官，大量迁入中原农户、军人，实行屯田，修筑道路，建立驿站，形成了进攻叛王的基地。又命北平王那木罕建节阿力麻里，作为总管西北军事的中枢。至元十年（1273），捏古伯与海都兵戎相见，元军乘机出兵察合台汗国。十二月，捏古伯阵亡。第二年，八剌诸子与海都讲和，立八剌之子笃哇为察合台汗。不久，忽必烈下令追缴颁给海都、八剌的金银符，并派中书右丞相安童辅佐那木罕，调那木罕之弟阔阔出、蒙哥之子昔里吉、忽必烈之侄脱脱木儿、阿里不哥之子明里帖木儿、药木忽儿等赴军前效力。
正当元朝集结兵力之时，对忽必烈心怀不满的昔里吉等人发动了叛乱。至元十三年（1276）秋，脱脱木儿发难。昔里吉奉命征讨，暗中勾结脱脱木儿等人，发兵拘捕那木罕、阔阔出和安童。叛王拥戴昔里吉为席，进攻岭北。八月，忽必烈派汉军都元帅阔阔带、李庭率侍卫军两千人西征。第二年春天，昔里吉分兵东进，弘吉剌万户折儿瓦台也起兵响应，将忽必烈女儿囊家真围困在应昌（今内蒙古阿巴哈纳尔旗东南）城中。忽必烈听后便急调诸王伯木儿和丞相伯颜的南征大军北上平叛。伯木儿军与叛军激战于鱼儿泊（今达赉泊）等地，大获全胜，活捉折儿瓦台。但这时昔里吉率主力已越过杭海岭（今蒙古杭爱山），渡过斡耳寒河（今蒙古鄂尔浑河）了。元将土土哈在土兀拉河（今蒙古土拉河）阻击叛军。六月，伯颜大军到达土兀拉河，大破叛军，败退斡耳寒河。七月，叛军分裂，忽鲁带率领部队投降。伯颜挥师进攻，吉里昔仓促应战，大败而逃。同年冬，南平王秃鲁在六盘山起兵响应昔里吉，很快就被平息。
至元十五年（1278）年初，元将土土哈部越过按台山（今新疆阿勒泰山）。昔里吉逃往也儿的石河（今新疆额尔齐斯河），脱脱木儿逃往吉利吉思。同年冬，元将刘国杰率侍卫军五万人戍守和林（今蒙古哈尔和林东北）。元重新控制了岭北。第二年，脱脱木儿南下侵扰杭海山东。元军主帅别吉思迷失采用刘国杰避实就虚的计策，直捣叛军巢穴，占领谦州（今苏联克孜尔西南）。脱脱木儿慌忙回师，与元军大战于谦河（今苏联叶尼塞河），大败而逃。
至元十八年（1281），叛军内讧。先是脱脱木儿向昔里吉求援，遭拒绝，便改奉蒙哥孙子撒里蛮为帝。药木忽儿反对这一做法，将脱脱木儿击败，俘送昔里吉处。昔里吉处死脱脱木儿。撒里蛮孤立无援，被迫投奔昔里吉。昔里吉将其押送术赤后王火赤斡兀立处。途中，撒里蛮被旧部救走，重整旗鼓，打败昔里吉。将昔里吉、药木忽儿押送大都。药木忽儿途中行贿得以脱身，借兵突袭撒里蛮。撒里蛮兵败，投降忽必烈。后来，昔里吉被流放到海南岛。
在昔里吉叛乱期间，海都侵占阿力麻里，侵扰天山南北。忽必烈派诸王阿只吉等率10万之众驻守别失八里（今新疆奇台西北）等地，以防备海都。至元十九年（1282），海都释放那木罕等人，以求和解，但又派兵进攻斡端（今新疆和田）等地。至元二十二年（1285），笃哇率兵十二万包围哈剌火州（今新疆吐鲁番），围城六个月。海都也侵扰了纳思河，在洪水山（今新疆呼图壁县西南）设埋伏，大败元军，乘胜经彰八里（今新疆乌鲁木齐、昌吉之间），进入哈密力（今新疆哈密），杀死元维吾尔亦都护火赤哈的斤。元军马上派兵增援维吾尔，海都撤走。
至元二十四年（1287），海都准备出兵十万，呼应东北叛王十三颜。忽必烈派伯颜镇守和林，切断东、西叛王的联系。海都见东进受阻，转向西方。二十六年（1289）春，海都在杭海山打败忽必烈之孙甘麻剌部。不久，和林元军也投降了海都。七月初一，忽必烈下诏亲征。海都闻讯而退。
至元二十九年（1292），诏命玉昔帖木儿取代伯颜镇守和林。当年秋，元将土土哈在按台山俘海都部民3000余户，进取吉利吉思。第二年春天，土土哈军入谦河（今苏联叶尼塞河）流域，收复五部地区，将海都势力逐出按台山。
元贞元年（1295），在别失八里设北庭元帅府，以平章合伯为都元帅，主持西北军务。不久，叛军再度发生内讧。第二年秋，药不忽儿、兀鲁思不花等脱离笃哇，投降元朝。大德二年（1298）十月，笃哇夜袭合剌合塔（约在今蒙古哈腊乌斯湖一带），俘元朝驸马阔里吉思。回师途中，遭到元将朵儿朵哈的袭击，损失惨重。不久，海都之子斡鲁温孙与元将床兀儿大战于阔客（今新疆和布克赛尔），元军大胜。皇侄海山率兵越过按台山，直捣海都王庭海押立，重创叛军后回师按台山。接着，海都、笃哇联合诸王四十余人率部大举进犯，超过按台山，直逼和林。海都率军布防于杭海山一线。八月，两军前锋激战于迭怯里古，叛军失利。两天后，海都率主力赶到，大战于合剌合塔，元军失利被困。第二天再战，元军又败。同时，笃哇部与元军激战于兀儿秃，大败而逃。海都只得撤退，途中病逝。笃哇拥立海都长子察八儿。
长达几十年的战争使双方都精疲力尽。大德七年（1303），笃哇主动求和。元成宗派遣使者招抚。大德十年（1306），笃哇、察八儿失和，交战于忽毡（今苏联列宁纳巴德）。察八儿大败。元怀宁王海山趁机越过按台山追击察八儿，叛王秃满等投降。察八儿投奔笃哇。笃哇善待察八儿，收回了海都时占去的察合台领地。至此，西北诸王之乱才彻底平息。
三帝之立
至治三年（1323）八月，英宗被亲军将领铁失等人所杀。政变后，诸王按梯不花奉皇帝玺绶北迎忽必烈太子真金之孙、甘麻剌之子、晋王也孙贴木儿。九月，也孙贴木儿即位，是为泰定帝。同月，泰定帝任用两派朝臣再加上晋王府的旧人倒剌沙等，初步稳定了政局。
十月，泰定帝下诏处死铁失及其党羽，抄没家产。大量提拔晋邸旧人，继续重用英宗、拜住时的儒臣张珪等人。同时继续清洗铁失党羽，为铁木迭儿专权时受诬各大臣平反。十二月，泰定帝下诏为扬朵儿只、萧拜住、贺伯颜等人平反昭雪。尚存者召加任用，已死者优加抚恤。后来，又以谋逆罪将铁木迭儿之子琐南及铁失党羽月鲁、秃秃哈、速敦等处死，并将参与铁失逆谋的诸王月钱铁木儿流放云南，按梯不花流放海南，曲吕不花流放奴儿干，勃罗及兀鲁不花流放于海岛。此后，开始封党讨逆有功诸臣，任命倒剌沙为中收左丞相。
泰定元年（1324）正月，泰定帝以前丞相拜住之子答儿麻失里为宗仁卫亲军都指挥使，彻里哈为左右卫阿速亲军都指挥使，并将远迁的诸王统统召回。接着，立八八罕氏为皇后，皇子阿剌吉八为皇太子，封武宗次子图帖睦尔为怀王。第二年，命怀王居于建康（今江苏南京市），并派使者赴北边周王和世处，以图和解。年底，和世遣使进贡，恢复了关系。
泰定五年（1328）春，泰定帝在打猎时患病。这时，武宗旧臣、握有兵权的枢密院同金燕铁木儿与诸王满秃等密谋政变，拥立武宗后裔。倒剌沙等为防止武宗一系重登帝位，将怀王从建康迁往江陵。三月二十五日，泰定帝从大都赴上都。倒剌沙、满秃等扈从。燕铁木儿随西安王阿剌忒纳失里留守京师。七月初十，泰定帝死于上都。倒剌沙、梁王王禅、辽子脱脱等执政。燕铁木儿与阿剌忒纳失里在大都秘密召集武士，准备政变。
八月初四黎明，百官汇集于兴圣宫。燕铁木儿率阿剌铁木儿、索伦赤等十七人手持兵刃，大呼立武宗之子为帝，有不从者斩。当场扣押中书平章乌伯都剌、伯颜察儿等人。然后，占领内廷，查封仓库，收缴印信，召集百官入朝听命。任命前湖广行省左丞相别不花为中书左丞相，太子詹事塔失海涯为中书平章，前湖广行省右丞带还为中书左丞，前陕西行省参政王不怜吉台为枢密副使，与中书右丞赵世延、同佥枢密院事燕铁木儿、翰林学士承旨亦列赤、通政院使寒食分典机务，调兵守卫京师及附近关口。同日，燕铁木儿派前河南行省参政明里董阿、前宣政使答里麻失里赴江陵迎怀王入京，秘密诏示河南行省平章伯颜派兵护送。
初五，发钞赏赐宿卫京师的军士，开始在居庸关、卢儿岭、白马甸、泰和岭、迁民镇等地布防。初七，再派使节撒里不花等南迎怀王，同时放出话说怀王已至京郊，以安民心。初九，明里董阿到达汴梁（今河南开封市），将京师情况告诉伯颜。伯颜也是武宗旧臣，当即表示全力支持。他扣押了反对的官员，调兵遣将，征集粮草，派勇士五千人先行迎接怀王，自己率大军随后接应。不日，明里董阿等到达江陵，偕怀王图帖睦尔启程进京。十八日，怀王因陕西官员反对政变，传令伯颜兵屯潼关。第二天，在上都的诸王秃满等人图谋响应大都政变，事情泄露被杀。二十二日，在上都的阿建卫指挥使脱脱木儿率部投奔大都，燕铁木儿命其守卫在北口。第二天，上都诸王及执政大臣分兵进攻大都，两个集团终于兵戎相见。这时，上都集团得到辽东、陕西、四川等地诸王、官吏的支持。当两军初战于宜兴州时（今河北滦平北），上都兵败。紧接着，怀王到达京师，入居大内，京师军心民心终于安定下来。
这时，上都军的主力由梁王王禅等率领已逼近长城了。九月初一，燕铁木儿亲自督师居庸关，派撒敦率兵偷袭驻扎在榆林（今河北怀来官厅水库东岸）的上都军。撒敦军获胜，一直将王禅等追到怀来。燕铁木儿还派斡都蛮率兵进攻驻扎在陀罗台的上都诸王灭里铁木儿部，也获胜利，并活捉了灭里铁木儿等人。同日，倒剌沙在上都立皇太子阿速吉八为帝，改元天顺。拥护上都的陕西军进入河中府（今山西永济县）。初三，怀王、燕铁木儿又一次调兵增援京师、潼关等地。同日，上都诸王也先帖木儿、辽东平章图满迭儿等率辽东兵攻入迁民镇。诸王八剌马、也先帖木儿率兵攻入管州。十二月，大都枢密院同知脱脱木儿与辽东图满迭儿部激战于蓟州（今在津蓟县）两家店。
九月十三日，在燕铁木儿等人一再请求下，图帖睦尔即位，是为文宗。文宗登基时表示即位只是为了安定人心军心，等到周王到京立即让位。第二天，封燕铁木儿为太平王，统军迎击辽东军。后又任命燕铁木儿为中书右丞相兼枢密院事，统掌军政大权。十六日，上都王禅军攻下居庸关，守军溃败。王禅带部队到达大口，燕铁木儿驻守榆河关（今北京昌平南），十九日，燕铁木儿在榆河击败王禅，直追至红桥北。几天后，两军再战于白浮之野（今北京昌平东北），燕铁木儿大破上都军。同日，枢院同知脱脱木儿与辽东军战于蓟州檀子山。第二天，王禅等逃往昆山（即昌平狼山），并收集溃散的部卒，整军再战，与燕铁木儿军相持于白浮之西。这天夜间，撒敦、脱脱木儿两军前兵夹击，王禅部大败，降者万余人。王禅单骑逃走。但是，在大都军昌平大捷的两天之后，上都派出的另一支军队突破古北口，进至石槽。北古口一线的大都军崩溃。撒敦等击溃了这一路上都军。
由于大都军主力用于西北和北部前线，东北防线兵力薄弱。九月二十六日，辽东军进至蓟州以南，脱脱木儿率军阻击。二十八日，辽东军直逼京城，燕铁木儿率兵抵抗，召募壮丁协助军卒守城，同时下令加强内外长城各关隘的守备。但上都诸王忽剌台的军队仍然突破了紫荆关，守军溃败。陕西行台御史大夫也先帖木儿率兵从大庆关渡过黄河，河东官员望风而逃。十月初一，燕铁木儿率兵在通州（今北京通县）击退辽东军。然后派脱脱木儿率兵四千西援紫荆关，调江浙兵万人西守潼关，河南行省兵守虎牢关。第二天，燕铁木儿在潞水再破辽东军。但同一天，上都忽剌台部也进至涿州（今河北涿州市）。初五，忽剌台部游骑出现在京师南城。燕铁木儿率兵在蓟州檀子山大破辽东军。第二天，脱脱木儿部在良乡南与忽剌台部激战。转战到芦沟桥时，大都军放出风说燕铁木儿大军将到，忽剌台部军心动摇，溃逃而去。京师战局基本稳定下来。
这时，甘肃、陕西地方官纷纷拒绝接受大都政令，撕毁诏书，将大都使者押送上都。拥护上都的湘宁王八剌失里率兵攻占冀宁（今山西太原市）。为此，燕铁木儿一面派兵扼守三峡等地，防止四川军东出湖广，一面于十月十一日亲率大军在檀州（今北京密云）击败辽东图满迭儿部，迫使其退回辽东。十三日，齐王月鲁帖木儿、东路蒙古元帅不花帖木儿等率兵围困上都。倒剌沙等奉皇帝印玺出降，梁王王禅逃走，辽王脱脱被杀，天顺帝不知所终。