忽必烈得到李璮举兵叛乱的消息时，阿里不哥已经放弃和林，率军进攻察合台汗国。忽必烈乘势占领和林，本打算派兵追击阿里不哥，这时不得不下令立即从和林撤军，返回开平，并立即派出蒙、汉大军直接转师而南，前往山东平叛。又派赵璧等行中书省事于山东，配合各路军队共同讨逆。鉴于山东、河北诸地守军空虚，忽必烈下旨允许各地皆可征兵守城。如兵员不足，可括木速蛮、畏兀儿、也里可温（基督徒）、答失蛮（伊斯兰教徒）为兵。
在回军的路上，忽必烈问姚枢：“你以为李璮会采取什么样的进军方略？姚枢主要从双方的力量对比、军队部署以及李璮的个人能力等方面分析了李璮有可能选择的上、中、下三策：当时忽必烈率蒙汉军主力北征，假若李璮乘此间隙，濒海直捣燕京，控扼居庸关，拒我于关外，惊骇人心，使中原震动，我方将十分被动，对于李璮来说，是上策。益都（青州）与南宋为邻，李璮如与南宋联合，据守益都，则可为持久之计，然后出兵扰我边地，使我疲于奔命，此为中策；济南虽为山东中心，但却无险可守，四面受敌。如果李璮出兵占领济南，等待山东、河北军人应援，必将束手就擒，此为下策。
居庸关
忽必烈问：你认为他会出什么策？姚枢说：“出下策。”后来事情的发展果然如姚枢所言。忽必烈回到开平，益都路前宣抚副使王磐乘驿来报告李璮叛乱的情况：李璮叛乱时，王磐发现了他的阴谋秘密向济南进军。于是王磐赶紧驿马入京师，因侍臣以闻”。忽必烈命令姚枢起草诏书，向全国军民揭露了李璮的罪行，动员大家积极支持平叛战争。
当时山东地区主要有三路世侯，即东平严氏（严实的几个儿子严忠嗣、忠济、忠范皆为万户），济南的张宏和益都的李璮。张宏无力抵抗李璮的叛军，济南很快被攻占。
忽必烈为了平定李璮叛乱，忽必烈先后任命了三位统帅，派出了近二十路大军。忽必烈为了平叛几乎调动了山东、河北、山西、燕京等北方地区所有的蒙汉大军，其总数当在20万人以上。当时的蒙汉名将、名臣史天泽、合必赤、张柔、史枢、严忠济以及董文炳等都率军投入了平叛战争。由此可见，忽必烈对此次平叛战争是何等重视。
蒙、汉十几路大军陆续向济南开去。李璮刚想从济南率军北伐，阿术、史枢的先锋军已经兵临济南城下。李璮趁蒙军立足未稳，企图抢夺对方辎重，便率军出城。但刚一出城便遭到阿术、史枢的截击。“大破之，斩首四千余，李璮退保济南”。
随后，宗王合必赤、右丞相史天泽以及行省官员也先后来到济南城下。由于济南城难于攻下，于是他们采取了围城，等城中粮草耗尽不攻自破。
李璮几次派兵突围，都未能成功。与此同时，李璮的盟友也遇到了蒙古军的阻击。南宋军夏贵与青阳梦炎一进山东，发现蒙军、汉军人多势众，吓得不敢继续前进，悄悄撤了回去。
济南内无粮草，外无救兵，成为一座死城。得道多助，失道寡助。其所以出现以上局面，从总体看，不仅因为忽必烈兵强马壮，军事上占据了绝对优势，还因为当时忽必烈的新政权得到北方各族人民的拥护，而李璮造反却不得人心。
北方人民一百余年来在金朝的统治之下，成吉思汗及其子孙推翻金朝在某种程度上反映了北方各个被压迫民族的愿望，因此在金末曾经出现了各族人民的反金起义。而忽必烈实行汉化改革，崇儒学、敬佛教、兴学校、发展农桑事业，却给当时的北方带来了生机。与之相反，李璮父子长期在金朝、南宋和蒙元之间投机钻营，信誉度极低。
同时，他们在山东地区对百姓敲骨吸髓，因此山东的百姓对他十分反感，当听到他叛乱的消息时，皆入保城廓，或奔窜山谷。由是自益都至临淄数百里，寂无人声”。山东百姓听说李璮的军队来了，不是凭借城堡保卫家园，就是逃进山谷避祸，自益都至临淄数百里，竟然没有一个人加入叛军队伍。甚至南宋方面也对他缺乏信任，并没有给他真正的支持。汉族世侯响应的也很少，有几个响应者也没成什么气候。其他世侯对李璮反叛都不配合，他们已经认可了忽必烈的政权在中原的统治地位，认为反元没有出路。因此，李璮陷入了孤立无援的境地，军队解体，众叛亲离。
李璮为了收买将士，将城中男子抓到军中服役，女子则分发给将士们蹂躏。后来军粮越来越少，李璮又下令将士到老百姓家去就食，甚至挖掘各家的窖藏。不久老百姓也粮尽柴断了。最后他只好让将士们喝盐水充饥，直到以人肉为食。
李璮军士气日益低落，军无斗志。侍卫亲军都指挥使董文炳来到城外对着城上李璮的士兵喊道：“反叛的只是李璮一人，其馀的人只要投奔过来，我们就是一家人，不要白白替李璮卖命了。于是，李璮的爱将田都帅缒城出降。其他士兵更经不住董文炳的一再劝降，纷纷出城投降。
李璮知城很快就要破，杀了爱妾，乘舟入大明湖。这时，守城的军士已经打开城门，蒙军大队开入城中。史天泽下令追捕李璮，有人发现李璮的小船已经划向湖心，立即驾船追赶，不一会儿，李璮的船头船尾追兵已到。李璮纵身跳入湖中，他满以为这一跳就可以葬身湖底，一了百了。谁知此处水浅，不能没顶。李璮被捉住，绑送到合必赤帐前。
史天泽、合必赤升帐，公开审判李璮等叛将，李璮立而不拜。
东平万户严忠范问道：“你为什么反叛？”
李璮反咬一口说：“你们与我相约，却又不来！”
史天泽又问：“忽必烈有亏待过你吗？”
李璮冷笑道：“你有文书约我起兵，何故背盟？”
对于李璮这种拒不认罪，反而诬陷他人的做法，史天泽等人十分气愤，于是史天泽部下黄头回回先砍去其两臂，然后又砍掉双足，剖腹开膛，掏出其心肝，之后才将其斩首，并将其头颅传示山东诸郡。经过精心策划的李璮叛乱，仅仅四个多月就被平定了。这是忽必烈政权的一个重大胜利，但也有次影响了对汉人的信任，开始转变为蒙古人和色目人联合起来管理汉人的制度。
