至元二十四年（公元1287年），东北宗王乃颜造反。乃颜乃是成吉思汗弟弟斡赤斤的后代，其祖父乃著名的塔察儿国王也速不花。忽必烈统治后期，为了抑制东北诸王的势力，罢去北辽东道等宣慰司，在东北置行省进行统治。由于利益受损，乃颜大为不满，便勾结以海都为首的西北诸王，发动叛乱。
“时西北诸王多欲从之，帝以为忧”。由于侍臣出主意，忽必烈对骑墙的西北诸王大加赏赐，暂时分化了乃颜的联合阵营。虽如此，依旧有胜纳合儿、也不干等蒙古宗王与乃颜联兵，共同造反。忽必烈军事方面很有一手，他派伯颜先据和林，割断乃颜与海都等人的联系。然后，年逾古稀的老皇帝御驾亲征，从上都出发，往讨乃颜。
同为“黄金家族”，现在成为敌人。双方对阵，“时将校多乃颜部人，或其亲旧，立马相向语，辄释杖不战。”这种战场情景很滑稽，由于元朝蒙古军中高级将领均与乃颜部有关系，交阵之时，不打不杀，双方倒唠嗑叙旧，真是罕见。知此情状后，忽必烈“深以为忧”。最后，还是汉臣叶李出主意，让汉将李庭（其实是女真人）、董士选两个人统率汉军当前，列“汉阵”首先与乃颜部队开战，“而联大军断其后，以示死斗。彼尝玩我，必不设备，我以大众踣之，无不胜矣！”忽必烈从之。
李、董二人汉军百战之余，与乃颜蒙古人没有任何瓜葛，又有皇帝在身后坐阵，故而勇气百倍，无不以一当十，在火炮掩护下，高声呐喊，杀向遍树十字架的乃颜蒙军（乃颜本人信仰景教，是基督教一个分支）。“乃颜败走，追执之”。
忽必烈处死乃颜的方式很特别，由于这位王爷是皇室血统，不能让这么“高贵”的血胤滴沾于地。所以，元世祖给他安排一种“安乐死”——用毛毡装裹起乃颜，派数名壮士猛摇猛抖，活活把乃颜摇抖至死。此等死法，其实远不如一刀痛快。
至元三十年（1293年），蒙古宗王海都又是侵逼和林。已经快八十岁的忽必烈强拖病躯，又一次亲征。海都乖巧，闻讯退走，大有“逗你玩”之意。
当时蒙古诸汗国，实际上都已经处于事实的独立状态，根本再难重新统一。何者，其他蒙国汗国统治者认为忽必烈违背“国俗”，已经不是草原精神的代表。特别是他在汉地施行的那种“定居”政治，与蒙古人的本性格格不入。名义上，忽必烈是伊儿汗国、察合台汗国、钦察汗国、窝阔台汗国的“共主”，实际上，那些“亲戚”们，早与他貌和神离。
对于汉人来讲，“（元）世祖混一区夏，虽以儒术饰治，然帝师佛子，殊宠绝利”。自南宋灭后，忽必烈觉得对汉儒的利用已经完毕，根本就不再重用汉人，所谓“信用儒术，用能以夏变夷”，实则汉儒的白日梦，忽必烈根本没有“以夏变夷”，没有“因俗治用”，反而使汉人成为辽阔帝国的最低等民众，民族岐视极为严重。
统治方面，忽必烈嗜利黩武，宠用阿合马等人二十多年，流毒天下。元朝追歼南宋，两征日本，两征缅甸，三伐安南，又攻占城，攻爪哇，三十年间，兵事无岁不兴，好大喜功，至死不悔。内用聚敛之臣，视民财如粪土；外兴无名之师，戕民命如草芥。所以，忽必烈能避免亡国丧身的下场，实赖蒙古暴力的余威。
忽必烈的时代“辉煌”，其实是下一个动荡时代的暂时休止期。帝国无数灾祸与动乱的祸根，皆于忽必烈时代深深种下。
至元三十一年（1294年）阴历春正月二十二日，忽必烈崩于上都紫檩殿。在位三十五年，时年八十岁。
无论如何，元朝于中国，其赫赫荣光，不能不令人叹服：
自封建变为郡县，有天下者，汉、隋、唐、宋为盛，然幅员之广，咸不逮元。汉梗于北狄，隋不能服东夷，唐患在西戎，宋患常在西北。若元，则起朔漠，并西域，平西夏，灭女真，臣高丽，定南诏，遂下江南，而天下为一，故其地北逾阴山，西极流沙，东尽辽左，南越海表。盖汉东西九千三百二里，南北一万三千三百六十八里，唐东西九千五百一十一里，南北一万六千九百一十八里，元东南所至不下汉、唐，而西北则过之，有难以里数限者矣。
帝国的荣耀，虽然已是过眼烟尘。但它的光芒，多少个世纪过去，依然让人慨然仰视。