但是，李璮完全錯誤估計了形勢。他認為當時忽必烈正忙於對阿裏不哥的戰爭，無力調兵和他交戰，不料阿裏不哥敗得很快，忽必烈迅速抽調兵力南下鎮壓；他認為北人漢族軍閥都和他一樣，心懷叛誌，起兵後即可一呼百應，結果響應者寥寥。中統三年（1262）二月一日，在發動兵變前，當南宋還在將信將疑之際，他在三日那天占領益都，發動兵變，不久占領濟南。
李璮聯宋完全是出於一種策略的考慮，並非真心實意，盡管南宋給了他保信寧武軍節度使督視京東河北等路軍馬、齊郡王的封號。李璮對南宋有殺父之仇，對南宋的作戰也從來是不遺餘力的，甚至殺宋師殆盡。這次兵變，隻是到了事件即將來臨之時才去約宋，以免受蒙宋夾擊，結果南宋隻給了一個虛銜，並未真正支援。李璮反蒙後，並沒有得到人民群眾的支持。雖然李璮曾四出聯絡，遠至山西太原，除了太原總管李毅奴哥、達魯花赤戴曲薛等少數幾人外，幾乎沒有什麼人響應。李璮叛亂發生時，忽必烈駐冬在漠南草地。忽必烈請他的老幕僚、著名理學家姚樞分析形勢，姚樞說：“李璮倘若直搗燕京，控扼居庸，那是上策；與宋聯合，困守擾邊，是中策；出兵濟南，等待世侯響應，是下策。”忽必烈問：
“如今這個叛賊將如何行動？”姚樞說：“李璮必出下策，他隻能等著被俘。”
於是忽必烈迅速進行了部署，首先殺了王文統，發蒙古漢軍討李璮，命水軍萬戶解成、張榮實、大名萬戶王文幹及萬戶嚴忠範會東平，濟南萬戶張宏、歸德萬戶邸浹、武衛軍炮手元帥薛軍勝等會濱棣，命濟南路軍民萬戶張宏、濱棣路安撫使韓世安，修理城塹，作為應戰準備，命諸王合必赤總督諸軍，不久又派史天澤增援。前往鎮壓李璮的許多漢軍頭目都是李璮以為會響應他的諸侯，結果忽必烈的統治十分牢固，李璮是不會成功的。五月，蒙古軍隊築環城將濟南圍困。李璮因此不得複出，仍然日夜拒守，為了取悅將士，掠擄城中子女賞給他們；而且分軍就食於民家，後來糧食吃光，隻得以人肉為食。這樣，人心渙散，李璮不能製止，人們相繼縋城出逃。七月，李璮在走投無路的情況下，投大明湖自殺，因水淺未死，張宏派人將他縛出。嚴忠範首先問他：“此是何等做作？”李璮回答：
“你們與我相約，卻又不來。”嚴忠範立即在他的肋下刺了一刀。史天澤問他：
“為何不投拜？”李璮默不作聲。史天澤又問：“忽必烈有什麼虧待你的地方嗎？”李璮說：“你有文書約我起兵，為何背盟？”史天澤馬上喚來一名回回砍去他的兩臂，然後砍掉兩腳，剖腹取食其心肝，割掉皮肉，最後才斬首。可見史天澤匆忙殺死李璮，事出有因。但是歸根到底，多數漢族軍閥對忽必烈還是忠誠的、滿意的，因為忽必烈沒有虧待他們。
李璮在受圍之日，作《水龍吟》一詞，曰：“腰刀首帕從軍，戍樓獨倚閑凝眺。中原氣象，狐居兔穴，暮煙殘照。投筆書懷，枕戈待旦，隴西年少。歎光陰掣電，易生髀肉，不如易腔改調。世變滄海成田，奈群生、幾番驚擾。幹戈爛漫，無時休息，憑誰驅掃？眼底山河，胸中事業，一聲長嘯。太平時、相將近也，穩穩百年燕趙。”野心勃勃的李璮萬萬沒有想到他的叛亂隻是曇花一現，他本人的結局竟是那樣的淒慘！
至元元年（1264）李璮餘黨毛璋再次發動兵變，結果兵敗被殺。
李璮之亂發生時，忽必烈發現王文統與李璮的交通信，因而立即將王文統處死。在王文統被誅以後，忽必烈害怕在他身邊另有小集團，所以，他加緊追查王文統的來路，要弄清王文統是如何從李璮處打進他的身邊來的。曾經推薦過王文統的廉希憲、張易、商挺、趙良弼、劉秉忠都受到懷疑。商挺還因為他在陝西的活動而受到興元同知費寅的控告，被投於監獄。中統初年，這些人或者是密參帷幄決策中央；或者是節製一方，支撐大局，都是大有功勞而為忽必烈所倚重的。
李璮之亂以後，忽必烈雖然不能不依靠他們負擔某些蒙古與回回人所不能勝任的工作，但總的態度是逐漸疏遠，把他們從中樞的重要任務中排擠出來。