经过
世祖应战
针对乃颜之乱，忽必烈早就有所准备和行动。曾派伯颜等人窥觇乃颜动静，掌握了叛军活动的可靠情报。同时又下诏“驰女真、水达达地弓矢之禁”，并以其“连岁饥荒，移粟赈之，仍尽免今年公赋及减所输皮布之半”，力图缓和东北土著的不满情绪，拆散其与叛军的联合。故当乃颜发难的消息传来后，忽必烈从容部署，立即筹办征讨事宜。他一方面调兵遣将，“以不鲁合罕总探马赤军三千人出征”，作为平叛的先遣队伍;另一方面，由于蒙古军与乃颜有千丝万缕的联系，忽必烈听取叶李、伯颜等人采用汉军的建议，驿召左丞李庭至上都，统诸卫汉军一起出征。同时，积极整顿内部，遣也先传旨谕北京等处宣慰司，凡录乃颜所部者禁其往来，以防止潜在的叛军进行活动。又派人打入敌方，派阿沙不花等游说诸王，“纳牙悦许之，于是诸王之谋皆解”，有效地瓦解了叛方的同盟。
进剿乃颜
在这一切就绪后，忽必烈于至元二十四年(1287年)五月自上都出发，其统率之军队为博罗欢麾下之五部军前锋和李庭所部汉军，另有玉昔帖木儿所率军队分道并进，六月三日抵达撒儿都鲁(今内蒙古奈曼旗南)。元朝官军在这里先后与叛王将领黄海、塔不台遭遇。叛军号称十万，实则六万，元军在数量上居于劣势，忽必烈却乘象舆贸然临阵，企图以大汗之气场威临叛军，使其自动投降。但叛军强弓劲射，全力攻击象舆。忽必烈被迫下舆乘马，并以汉军前列步战，迷惑叛军。塔不台惧中伏引退，忽必烈采纳李庭之建议，组织敢死队于夜晚炮轰叛军阵地，结果叛军大乱，仓皇败退。元朝诗人王恽对这次战役描述道：“横空云作阵，裹抱如长城。嚣纷任使前，万矢飞搀枪。我师静而俟，衔枚听鼙声。夜半机石发，万火随雷轰。少须短兵接，天地为震惊。前徒即倒戈，溃败如山崩”。
随后，另一支平叛军队即玉昔帖木儿所领的蒙古军与忽必烈的大部队会师。李庭欲率汉军追击乃颜，被忽必烈阻止。这时候，乃颜已东撤到大兴安岭西侧的不里古都伯塔哈(蒙语borgutu boldagha，译言“有鹰的孤山”)。元军在玉昔帖木儿指挥下追踪乃颜，以求与之决战。玉昔帖木儿以钦察将领玉哇失为前锋，突骑先登，陷阵力战，以后军继之。叛军溃散，乃颜出逃，至失列门林之地为元军生擒。忽必烈立即处死了乃颜。据马可波罗说，乃颜是按照蒙古人处死贵族时不见血的传统来受刑的，即经捆绑后裹进毡毯，然后被反复拖曳抛甩，受簸震至死。其妻也被处死，两人尸体被仍进河里。一般认为这条河是西拉木伦河。
扫荡余党
乃颜虽被擒杀，但其余党势都儿、哈丹等仍在活动。玉昔帖木儿领军又折回哈拉哈河，扫荡呼伦贝尔草原。元军溯亦迷河(今伊敏河)而上，北至海剌儿河(即海拉尔河)，又东逾大兴安岭北端蒙可山，追剿乃颜残众至嫩江。至元二十四年(1287年)九月，玉昔帖木儿师还。忽必烈本人在元军擒杀乃颜时，已从哈拉哈河逾大兴安岭缓缓东行，此后即经由辽东班师。
元军在至元二十四年(1287年)的军事行动虽然取得很大的成功，但未能完全镇压东道叛王。逃窜到嫩江、黑龙江地区的合赤温系诸王哈丹秃鲁干，索性以该地为其新地盘，率余部继续与元廷相对抗。至元二十五年(1288年)，忽必烈命皇孙铁穆耳(即后来的元成宗)、大将玉昔帖木儿再度出征。战火从大兴安岭山麓一直延烧到高丽境内。直到至元二十九年(1292年)哈丹在鸭绿江源兵败自杀，元朝才最终扑灭乃颜之乱的余烬。
影响
乃颜死后，参加叛乱而为元军俘虏的斡赤斤后王部众多被籍没，有些还被强行徙置江南，东道诸王势力大衰。元廷还在“乃颜故地”立肇州城(在今黑龙江肇州西南、松花江畔)，迁西北吉里吉思等部东居，又组织当地各族部众在该地区开垦。但是，未直接参与叛乱的斡赤斤系诸王所部，并没有被元廷全部褫夺。塔察儿长子乃蛮带(乃麻歹)还率部参加了乃颜死后元军讨伐哈丹秃鲁干的战争，故他被允许继承斡赤斤后王之位，并在元武宗至大元年(1308年)受封为“一字王”寿王，两都之战中的辽王脱脱即是其孙。另一方面，元廷利用乃颜之乱的机会，强化了东北与中原的交通联系，并设立辽阳等处行中书省，正式将东北地区置于中央政府的有效控制之下，强化了对当地的统治。
逸事
马可波罗自称参与过忽必烈亲征乃颜的战斗。据他记载，乃颜举兵反元时，曾将十字架徽记标上自己的战旗，在他的军队中有大量基督教信徒。元赵世延《应昌路曼施山新建龙兴寺记》述及忽必烈出征乃颜之事时，谓乃颜“离佛正法”。另一则汉文史料也提到“叛始由惑于妖言，遂谋不轨”。当时蒙古人中信奉景教(基督教聂斯脱利派)的人数相当多。因此，所谓“离佛正法”的“妖言”，在这里很可能就是指的被乃颜利用来进行反元动员的景教。