李璮袭为益都行省（今山东境内）长官，拥军自重。南宋开庆元年（1259），李璮加速准备反叛蒙古 ，一面进犯南宋，取海州（今江苏连云港西南）等4城，一面积极加固益都城防，储存粮草，截留盐课。元世祖中统元年（1260），忽必烈即帝位，其幼弟阿里不哥也在漠北自立为大汗，两兄弟为争夺汗位发生战争。忽必烈为了稳定李璮，加封他为江淮大都督，并对他的上述活动隐忍不发。李璮乘忽必烈倾全力抗御阿里不哥南犯之机，三年二月，举兵反叛，他献涟海三城于南宋，杀蒙古戍兵，从海州泛海还攻益都，进据济南。南宋封李璮为齐郡王、节度使封号，但并没有在军事行动上给予有力配合。李璮在进攻济南时，曾传檄河北，希望取得华北地区汉人军阀的支持，但应者寥寥。因此，处境完全孤立。忽必烈迅速集中蒙汉诸军，以宗王合必赤统领征李璮。三月，史枢、韩世安、阿术等于高苑老僧口击败李军，李军退守济南。四月，忽必烈又命右丞相史天泽专征。史天泽与哈必赤定议，筑环城围济南，进行长期围困。济南被围四月，李璮粮秣告罄，军心离散。七月，李璮投大明湖不死，被俘，被史天泽斩于军前。李璮的岳父王文统，当时任中书省平章政事，颇得忽必烈信任，因与李璮书信交通，被忽必烈杀死。 

叛乱平定后，忽必烈罢地方诸侯世袭，收汉人军将兵权，在地方上实行军民分治，并引用色目人作为统治的帮手，以对汉人进行牵制等等。这些措施，都对元王朝中央集权政治的建立，蒙古、色目贵族与汉族官僚之间矛盾的发展，产生了重大影响。