伯颜还报乃颜异动，忽必烈为防止东、西道诸王夹攻岭北，联兵南下，特命北平王那木罕所部从杭爱岭、哈剌和林驻地东行，在土拉河一线布防，俟机挫败乃颜叛军西掩之势。
乃颜试图由东向西打通岭北，占领“国家根本之地”。但在叛乱之初，其战略意图和进攻方向就为朝廷所掌握，因此，等待乃颜的命运可想而知。
至元二十四年（1287年）五月初九，已是七十三岁高龄的忽必烈皇帝亲乘象辇，以迅雷不及掩耳之势兵进大兴安岭。
大军出上都宫城御天门，伯颜、玉昔帖木儿、安童齐集象辇之中。忽必烈对三人说：“据朕分析，乃颜西攻受阻，必将掉头东归。从即日起，成立征讨都元帅府，朕自任都元帅，伯颜副之，以协调中央部队和岭北部队的军、政令之统一。”
又对伯颜说：“爱卿此去哈剌和林，可全权调动、配置中央军队。”
“陛下恩信，臣莫敢辞！臣请以玉昔帖木儿为前军主帅，统蒙古军二万分道行进。得手之后，乘胜强渡哈拉哈河，夺取乃颜的阵地。”
“准！”
玉昔帖木儿喜出望外，得意地瞟了安童一眼。安童心中好笑，却故意做出一副严肃的样子。
乃颜是一个受洗过的景教教徒，叛军的所有旗帜上都绣有一个十字架作为标志。在西北诸王反叛之初，乃颜原本是站在忽必烈一边的。然而，乃颜毕竟是一位旧有生活习惯和思维方式根深蒂固的人，他喜欢恣行攘夺和榨取无厌。因此，对于忽必烈采行汉法，建立了一套相应的制度、法令，他不但视为束缚，而且深为反感。
只是，骄横的乃颜做梦也没想到年事已高且患有严重风疾的忽必烈皇帝会以如此快的速度集结起数万大军，向他的营地发起进攻。
六月三日，忽必烈大军突进到撒儿都鲁之地（今呼伦湖东南沙尔土冷呼都克），乃颜所部六万骑兵逼象舆而阵。随后，叛军气势汹汹地包围了元军部队。
当时正值大兴安岭久雨季节，元军远道奔袭，兵马俱疲，加之元军在数量上居于劣势，且军中乏食，因此，两军会战，各有胜负。忽必烈临危不惧，依然乘象辇临阵。因叛军强弩劲射，忽必烈命全军固营自守，不复出战，以此疑惑叛军。
入夜，大雨稍停。玉昔帖木儿身先士卒，率领壮士三百持火炮刀剑，潜入酒酣入睡的乃颜军营。一时炮声大作，刀剑格斗之音铿锵震耳。原本就心存疑惧的叛军听到炮声和喊杀声，大为惊恐。突然，狂风骤起，夜黑星移，各营寨纷纷火起，叛军自相砍杀，全军尽溃。玉昔帖木儿军乘胜追杀，拂晓时分与击败了叛王哈丹秃鲁干的安童会合，两家兵合一处，包围了乃颜的军帐。
乃颜正与宠妾共寝，忽闻炮声大作，慌忙披挂上阵督战。火光中，只见忽必烈亲率怯薛军、汉军于一土山上以汉法排兵布阵。忽必烈汗端坐大木楼，由四象拉之，楼上竖立日月皇旗，其高各处可见。其众皆合三万人成列，各骑兵之后多有一人执矛相随，步兵全队皆如是阵。
鼓吹之时，两军战争乃起。双方部众各执弓弩、骨朵、刀矛、火炮而战。双方发矢蔽天，有如暴雨。刹那间，双方骑卒坠马而死者甚众，尸陈遍野。会战自寅时至午时，叛军大败，乃颜狼狈逃向大兴安岭西侧哈尔河与诺木尔金河交汇的三角地带有鹰山。该山位于联结大兴安岭东、西两侧的交通枢纽。
玉昔帖木儿奉旨率领蒙古军主力循踪追击。两军于有鹰山对阵，玉昔帖木儿突骑先登，陷阵力战，叛军溃散。乃颜手刃爱妾仓皇出逃，至失列门林之地为元军骑卒追擒。忽必烈下旨：按蒙古大札撒处死，尸弃老哈河。
所谓按蒙古大札撒处死，是指一种“不出血”的死法。受刑者被捆绑后裹进毡毯，然后被力士们反复拖曳抛甩，受簸震而毙命。处死乃颜后，玉昔帖木儿领军折回哈尔哈河，扫荡呼伦贝尔草原。得胜后，元军东逾大兴安岭北端蒙可山，追击乃颜残部至嫩江。
在忽必烈擒杀乃颜逾大兴安岭缓缓东行经由辽东班师之际，镇胁漠北的征讨副元帅伯颜正日夜兼程率军东进，复转渡辽水，进趋懿州，彻底削平乃颜余党。至此，燃烧一月有余的叛乱之火被悉数扑灭，宗王乃颜叛乱遂告平定。
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