伯顏還報乃顏異動，忽必烈為防止東、西道諸王夾攻嶺北，聯兵南下，特命北平王那木罕所部從杭愛嶺、哈剌和林駐地東行，在土拉河一線布防，俟機挫敗乃顏叛軍西掩之勢。
乃顏試圖由東向西打通嶺北，佔領「國家根本之地」。但在叛亂之初，其戰略意圖和進攻方向就為朝廷所掌握，因此，等待乃顏的命運可想而知。
至元二十四年（1287年）五月初九，已是七十三歲高齡的忽必烈皇帝親乘象輦，以迅雷不及掩耳之勢兵進大興安嶺。
大軍出上都宮城御天門，伯顏、玉昔帖木兒、安童齊集象輦之中。忽必烈對三人說：「據朕分析，乃顏西攻受阻，必將掉頭東歸。從即日起，成立征討都元帥府，朕自任都元帥，伯顏副之，以協調中央部隊和嶺北部隊的軍、政令之統一。」
又對伯顏說：「愛卿此去哈剌和林，可全權調動、配置中央軍隊。」
「陛下恩信，臣莫敢辭！臣請以玉昔帖木兒為前軍主帥，統蒙古軍二萬分道行進。得手之後，乘勝強渡哈拉哈河，奪取乃顏的陣地。」
「准！」
玉昔帖木兒喜出望外，得意地瞟了安童一眼。安童心中好笑，卻故意做出一副嚴肅的樣子。
乃顏是一個受洗過的景教教徒，叛軍的所有旗幟上都綉有一個十字架作為標誌。在西北諸王反叛之初，乃顏原本是站在忽必烈一邊的。然而，乃顏畢竟是一位舊有生活習慣和思維方式根深蒂固的人，他喜歡恣行攘奪和榨取無厭。因此，對於忽必烈採行漢法，建立了一套相應的制度、法令，他不但視為束縛，而且深為反感。
只是，驕橫的乃顏做夢也沒想到年事已高且患有嚴重風疾的忽必烈皇帝會以如此快的速度集結起數萬大軍，向他的營地發起進攻。
六月三日，忽必烈大軍突進到撒兒都魯之地（今呼倫湖東南沙爾土冷呼都克），乃顏所部六萬騎兵逼象輿而陣。隨後，叛軍氣勢洶洶地包圍了元軍部隊。
當時正值大興安嶺久雨季節，元軍遠道奔襲，兵馬俱疲，加之元軍在數量上居於劣勢，且軍中乏食，因此，兩軍會戰，各有勝負。忽必烈臨危不懼，依然乘象輦臨陣。因叛軍強弩勁射，忽必烈命全軍固營自守，不復出戰，以此疑惑叛軍。
入夜，大雨稍停。玉昔帖木兒身先士卒，率領壯士三百持火炮刀劍，潛入酒酣入睡的乃顏軍營。一時炮聲大作，刀劍格鬥之音鏗鏘震耳。原本就心存疑懼的叛軍聽到炮聲和喊殺聲，大為驚恐。突然，狂風驟起，夜黑星移，各營寨紛紛火起，叛軍自相砍殺，全軍盡潰。玉昔帖木兒軍乘勝追殺，拂曉時分與擊敗了叛王哈丹禿魯乾的安童會合，兩家兵合一處，包圍了乃顏的軍帳。
乃顏正與寵妾共寢，忽聞炮聲大作，慌忙披掛上陣督戰。火光中，只見忽必烈親率怯薛軍、漢軍於一土山上以漢法排兵布陣。忽必烈汗端坐大木樓，由四象拉之，樓上豎立日月皇旗，其高各處可見。其眾皆合三萬人成列，各騎兵之後多有一人執矛相隨，步兵全隊皆如是陣。
鼓吹之時，兩軍戰爭乃起。雙方部眾各執弓弩、骨朵、刀矛、火炮而戰。雙方發矢蔽天，有如暴雨。剎那間，雙方騎卒墜馬而死者甚眾，屍陳遍野。會戰自寅時至午時，叛軍大敗，乃顏狼狽逃向大興安嶺西側哈爾河與諾木爾金河交匯的三角地帶有鷹山。該山位於聯結大興安嶺東、西兩側的交通樞紐。
玉昔帖木兒奉旨率領蒙古軍主力循蹤追擊。兩軍於有鷹山對陣，玉昔帖木兒突騎先登，陷陣力戰，叛軍潰散。乃顏手刃愛妾倉皇出逃，至失列門林之地為元軍騎卒追擒。忽必烈下旨：按蒙古大札撒處死，屍棄老哈河。
所謂按蒙古大札撒處死，是指一種「不出血」的死法。受刑者被捆綁後裹進氈毯，然後被力士們反覆拖曳拋甩，受簸震而斃命。處死乃顏後，玉昔帖木兒領軍折回哈爾哈河，掃蕩呼倫貝爾草原。得勝後，元軍東逾大興安嶺北端蒙可山，追擊乃顏殘部至嫩江。
在忽必烈擒殺乃顏逾大興安嶺緩緩東行經由遼東班師之際，鎮脅漠北的征討副元帥伯顏正日夜兼程率軍東進，復轉渡遼水，進趨懿州，徹底削平乃顏餘黨。至此，燃燒一月有餘的叛亂之火被悉數撲滅，宗王乃顏叛亂遂告平定。