拖雷監國2年病逝，窩闊台正式繼位；窩闊台在位時曾指定第三子闊出的兒子失烈門為汗位繼承人。1241年窩闊台去世，乃馬真後擅自奪取了國家政權史稱「乃馬真攝政」，等其子貴由歸國後，有待由負責推舉部落可汗的忽里台大會通過才即位。
1248年貴由死後雖然其皇后海迷失後在拔都（朮赤之嫡次子）等諸王擁立下垂簾聽政，不過沒多久拖雷長子蒙哥被推舉為大汗，蒙古汗位轉入拖雷一系。蒙哥在1259年於攻打南宋時，死於合川東釣魚山下，其弟忽必烈和阿里不哥爭位，各自為汗。
當時欽察汗國、察合台汗國、窩闊台汗國都支持阿里不哥，唯獨伊兒汗國支持忽必烈。長達數年的汗位糾紛展開。阿里不哥數次聯合欽察汗國、察合台汗國、窩闊台汗國之兵進攻忽必烈，都被忽必烈擊敗。1264年，軍心渙散且缺糧的阿里不哥，被迫投降。長達五年的蒙古汗位糾紛由此結束。
據《元史》記載，阿里不哥力竭投降，忽必烈把他禁錮，赦免他的死罪，只是斬殺了他幕府的許多部屬。1266年逝世，可能是遭忽必烈毒殺。忽必烈於1271年（至元八年）建立元朝。忽必烈雖然贏得了勝利，蒙古帝國卻走向了分裂，四大汗國基本上是獨立於元朝，相互之間更是戰爭不斷。
