阿里不哥听说阿鲁忽夺走了他所征集的财物，并投靠了忽必烈异常愤怒，他不顾与忽必烈大军对峙的形势，于中统三年(1262)春，毅然决定出兵攻打阿鲁忽。
忽必烈听说阿里不哥率军去攻打阿鲁忽，“正想沿着阿里不哥所走的途径追去”,可就在这时，中原汉地来了急使报告说：“汉地发生了事变”,李瓊叛乱了。忽必烈听说李壇发动了叛乱十分生气，于是放弃了追赶阿里不哥的计划，率军返回中原。
阿里不哥讨伐阿鲁忽，初战不利。先锋哈剌不花被杀，但随后大败阿鲁忽，进据察合台汗阿鲁忽的统治中心阿力麻里，阿鲁忽带着妻子和阿速歹等人逃往斡端(又译忽炭，今新疆和田)。阿里不哥军驻冬阿力麻里，阿鲁忽又西走撒麻耳干(今乌兹别克撒马尔罕)。
阿里不哥讨伐阿鲁忽虽然获得了胜利，但因为阿里不哥肆无忌惮地无故杀害合罕(指阿鲁忽)的军民并凌辱他们，他的异密(大臣)们便离开他，各找借口脱离他而去。