蒙古帝國最後一個大統一的大汗，無疑是蒙哥。當蒙哥在釣魚城戰死後，原本統一起來的大蒙古帝國陷入分裂，而且從此再無人讓蒙古獲得過這樣的輝煌。
這個分裂是從蒙哥的幼弟阿里不哥開始的。本來，蒙哥去世，汗位應該傳到蒙哥的兒子玉龍答失等人手上，但是玉龍答失無權無勢，蒙哥也沒有說過要立他為汗位繼承人，所以，他權衡再三，選擇了支持阿里不哥。
（阿里不哥）
阿里不哥是守灶的幼子，又擁有蒙哥留下來的龐大的軍隊，本來就覬覦汗位，經周圍的大臣、那可兒們一攛掇，他的野心一下就膨脹了，於是開始了上位的第一招：派大將阿藍答兒到漠南諸州抽調兵丁，派另一大將脫裡赤到漠北諸部抽調人馬，以便控制漠南漠北主力軍隊。
那時候，忽必烈的王府已經搬到了新修的城市開平。當阿藍答兒到達開平附近集結軍隊的時候，被忽必烈的王妃察必發覺了，她趕緊給忽必烈去了一封信，告訴了阿里不哥的行動，並催促他說：“大魚的頭已被砍斷了，小魚們爭著往上湧，可汗不趕緊回來還要做什麼呢？”
忽必烈也焦急了，和幕僚們一商議，立即輕裝簡從火速回到開平，遣散了阿藍答兒集結的軍隊，並去信斥責阿里不哥。
兩兄弟在這時候實際上已經最後攤牌，阿里不哥來信請忽必烈到哈拉和林召開忽裡臺，忽必烈卻讓阿里不哥來開平召開忽裡臺。兩兄弟各有一部分支持者，最後誰也不服誰的，都各自在自己的地盤上召開了忽裡臺，並順利稱汗。帝國的分裂已經實質上形成了。
兩兄弟的大戰在所難免。雖然阿里不哥的軍事實力比忽必烈強，但是忽必烈的作戰經驗比阿里不哥豐富得多，戰爭斷斷續續打了4年，最後以忽必烈勝利，幽禁阿里不哥告終。
但是，打敗阿里不哥，忽必烈並沒有讓帝國完全統一，反而是分裂得更加徹底的開始。
忽必烈在登上汗位前，就已經拋棄了成吉思汗、蒙哥以來蒙古的傳統，實行漢化政策，這讓蒙古貴族很不滿。接著他又通過戰爭獲得汗位，所以大家更不滿。很多蒙古本土宗王，紛紛自立為汗。
（別兒哥）
首先是別兒哥和旭烈兀。在拔都死後，蒙哥已經不再需要報答他對拔都的感激之情，把他給予金帳汗國的那些特權都收了回來，委派自己的駙馬為達魯花赤管理。拔都的繼任者別兒哥嚴格服從蒙哥的安排和調遣，他不但和其它汗國一樣繳稅，在旭烈兀西征的時候，別兒哥還無條件地派兵前往參加。
忽必烈和阿里不哥的大戰引起的第一個連鎖反應就是別兒哥與旭烈兀的大戰。由於別兒哥的宗教信仰傾向於伊斯蘭教，因此他對旭烈兀在報達及敘利亞的屠殺，以及旭烈兀處理伊斯蘭哈里發的方式早已不滿。而在蒙古大汗的爭奪上，別兒哥支持阿里不哥，旭烈兀支持忽必烈，阿里不哥和忽必烈的大戰終於引發了別兒哥與旭烈兀的大戰。戰鬥雖沒有分出勝負，並以別兒哥的病死暫告一段落。但是，金帳汗國從此不受忽必烈節制，成為了實際上的獨立狀態。
旭烈兀也在桃裡寺和蔑刺合兩城建立了他的宮殿，做起了伊爾汗國的可汗，也實際上獨立了出去。
另一場分裂來自於窩闊臺系后王的強力反彈。被蒙哥遷到海押立的窩闊臺系后王海都，在蒙哥在世的時候，他就通過積極討好別兒哥來擴大自己的勢力。別兒哥也因為要聯合海都對付日益壯大的察合臺系宗王，也就聽任他壯大。
不過，蒙哥在世的時候，他最多也就在蒙哥背後搞點小動作，離間一下蒙哥和忽必烈的關係等等，並不敢出頭。當忽必烈當大汗後，他就以忽必烈漢化，不配為蒙古大汗，以及只有窩闊臺的後人才有權繼承汗位為由，不斷反對忽必烈。
（旭烈兀）
1269年，他甚至在察合臺后王及朮赤后王的擁戴下，掀起了和忽必烈的戰爭。這場戰爭曠日持久，消耗了大量的人力、物力，也最終加速了蒙古各汗國的分裂，甚至加速了忽必烈所建立的新政權——元朝的滅亡。
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