李璮發難，忽必烈反應很快，詔令濟南路萬戶張宏修城備戰，不過李璮速攻濟南，張宏退走，途中遇到宗王合必赤的軍馬，張宏即為合必赤前導，調頭回兵濟南。
不僅如此，忽必烈從山東、河北諸路調集的漢軍，加上蒙韃軍隊，畢會濟南地區，合擊李璮。
結果李璮不敵，連戰俱敗，方才知道他引以為豪的益都軍隊原來是紙老虎。
沒錯，梨花槍是厲害，但蒙韃的威風深入人心，李璮的軍隊未戰心怯，打起來時別說打真韃，連漢軍都打不過
一是蒙韃的兇厲，二來漢軍盡情嘲笑李璮是三姓家奴
本來大家都是投降或歸降蒙韃，你大哥不說二哥的，
是啊，李璮其軍可追溯到李全那里，在蒙韃和南宋搖擺不定，又想降明，不是三姓家奴還是什么
來者是史天澤軍，叫起來更是理直氣壯，因為史家不曾仕金，是直接歸順了蒙古人，始終如一，罵得特響亮，讓李璮軍士氣大跌，打仗打得稀巴爛。
忽必烈詔命史天澤專征，節度諸將討伐李璮。大軍先樹柵鑿塹，圍濟南城，繼而又筑環城六十里圍之，李璮自是不復得出。
他后悔莫及，當初他要是不講條件，歸降明朝，猶可奉大明朝廷之意討賊，反倒名正言順，如今什么都沒有，怎么打得過外面那些如虎似狼的漢韃聯軍
不僅是后悔，還有就是痛恨，起兵前，李璮和其他漢人世侯有所聯絡，滿以為這些對蒙古統治同樣心懷不滿的軍閥會響應他。結果卻是無人響應，大世侯如史天澤、嚴忠范等都服從忽必烈的調遣來進攻他，打得比韃子更兇狠
諸如史天澤和嚴忠范等世侯投靠蒙古已久，相互間早已結成了俱榮俱損的利益關系；而忽必烈又與以前諸汗不同，頗得中原人心，并且依托漢地人力物力的支持，力挫漠北阿里不哥勢力，顯示出英主風范，進一步把漢人世侯籠絡到自己周圍。
他們既已在新政權中找到了自己的位置，又怎么肯輕易冒險稱叛李璮又有什么籌碼可以讓他們與他合謀造反
李璮想派人出去向明朝求援，無奈城池被圍得水泄不通，根本出不去。
就算能出去求援，只怕也是遠水救不得近火，張柔軍沒有參戰合圍濟南，正是防著南邊援兵。
濟南圍城之役，始于中統三年1262年夏四月之初。李璮日夜拒守近四個月，城中糧草難以為繼，最后至于“人將相食”的地步。
至七月下半月，人心渙散。李璮自知大勢已去。“分付眾人出，各討路去。自己手刃愛妾，乘舟入大明湖投水。因水淺不死，被攻入城內的大軍擒獲，旋即被史天澤等擅殺于軍前。第二天，“天澤等引軍東行，未到益都，城中人已開門降”。
這時歷史出現了一個分枝，聽聞李璮被俘，史天澤擅殺之，忽必烈相當不悅。