1261年，李璮在没有通知任何人情况下，私自开辟了一条从京城直通山东的秘密驿道。次年正月，李璮的质子李彦简便通过这条驿道悄悄逃回了山东。李彦简的成功逃脱，让李璮不再有所顾虑，决定彻底反叛。他首先将军中的蒙古官员全部杀掉，接着将涟水、海州等城池奉送给南宋，正式投降，背叛了蒙古汗国。 在二月十五日，李璮的军队开始进攻蒲台。三天后，忽必烈得知消息，决定暂时放弃追击阿里不哥，转而下令讨伐李璮。过了几天，忽必烈下令处死李璮的岳父王文统及其家族。到了二月末，李璮终于占领了济南城。守城的万户张宏带着不到千人的守军撤退，进入附近山区，准备等待援兵。 当时，忽必烈向大司农姚枢询问如何应对李璮的战略。姚枢提出了三种策略：第一种是趁我军北伐还未归，沿着海岸线进攻燕京，封锁居庸关，震慑天下，这是最佳选择；第二种是与宋军联合，依靠地形打持久战，偶尔袭扰边境，使我军疲于应战，这种策略次之；第三种是攻占济南，等待山东各地的支持，最终被围困俘虏，这是最差的策略。姚枢分析，李璮很可能选择最差的策略。结果，几天后，济南被李璮攻占的消息果然传来。 三月中旬，忽必烈派万户阿术和史枢领兵前往济南。当他们来到临安附近时，恰逢李璮出城劫掠，二人立即带兵迎击，成功击败李璮的军队，歼灭敌军四千余人。李璮败退回城后开始坚守不出。三月下旬，万户韩世安带兵在高苑击败了叛军，并俘虏了李璮的部将傅珪。 到了四月，蒙军开始围困济南城。李璮几次尝试从城中突围，但双方经过多次激战后，蒙军逐渐占据上风。于是，武卫军统帅李伯祐和董文炳请求忽必烈派遣右丞相史天泽前线督战。 四月末，史天泽终于抵达济南城外。为了防止李璮突围逃走，他立即命令修建了一道长达六十里的围墙，将济南城彻底围困。到了五月中旬，围墙完成，李璮多次尝试突围但都未能成功。 有一天夜里，狂风暴雨突如其来，济南城西南五里处的历山下溪流水位暴涨，蒙军的防线被大水冲垮。负责驻守该地的蒙军万户史枢判断李璮会趁机发动夜袭，于是他用芦苇制作了几百根火把，埋伏在附近准备迎敌。 当夜深人静时，李璮果然派兵前来偷袭。虽然雨已经停了，但风势依然很强。蒙军将火把扔向李璮军队，火把在强风的助力下燃烧得更旺，李璮的军队顿时暴露在敌人眼前。史枢指挥弓弩手猛射，李璮军队一时陷入混乱，互相践踏，死伤惨重，最后狼狈逃回济南城。 与此同时，张柔的儿子张弘范也参与了围攻济南城。出征前，张柔特意叮嘱儿子：不要刻意避开危险的地方，越是危险的地方，越容易得到友军支援，相对也更安全，而且能积累更多战功。张柔与李璮认识多年，深知他狡猾多变，因此特别警告儿子，李璮会在你最放松警惕时给你致命一击，必须时刻准备应对。 在围城战中，李璮确实多次从不同方向突围，唯独没有攻击张弘范。张弘范察觉到李璮可能会选择出奇不意的进攻，便命令将士修建长垒，并加深加宽前方的壕沟，还打开东门，设伏两侧。 第二天夜里，李璮派兵偷袭张弘范的营地。李璮军带来的飞桥未能覆盖宽大的壕沟，许多士兵掉入其中。刚爬上壕沟，他们就遭到伏兵攻击，最终被全部歼灭。李璮的两名部将被俘，并向张弘范投降。 南宋初时并不相信李璮会背叛蒙古，直到他归还涟水、海州等地，并正式投降南宋后，才开始信任他，并任命他为节度使、齐郡王，恢复了李璮父亲李全的职务。宋朝还命令夏贵等人带兵北上支援李璮。 三个月后，宋军迅速推进，占领了徐州、邳州等地，甚至收复了许多山寨。沿途的蒙军守将要么战死，要么投降。 四月，万户韩世安在滨州丁河口击败了宋军的一支队伍。五月，蒙军在元帅按脱、万户严忠嗣和郭侃的带领下开始反击。宋军在收复徐州后，采取了与蒙军相同的做法，烧毁了城中的民房，并迫使百姓随军南迁。郭侃指挥兵力南下，追回了被俘的军民。 到了六月初，宋军进攻沧州。宋将青阳梦炎奉命前往济南接应李璮，可他到达山东后，却不敢继续前进，很快就带兵撤回南方，导致李璮被孤立在济南城中。 随着时间的推移，济南城内的粮食告急，李璮仍未能突破蒙军的围困。为了稳定军心，李璮将民间女子分赏给将士，并强迫百姓交出余粮，甚至让士兵和百姓一起住一起吃。 济南城中的军民开始对李璮失去信心，许多人开始悄悄地从城墙爬下，投降蒙军。董文炳得知后，亲自来到城下，对城内的守军大喊：造反的只有李璮，其他人投降就是蒙军的将士，不要自寻死路！ 最终，李璮失去了对城内局势的控制，绝大部分守军选择投降，甚至李璮最亲信的部将田都帅也投降了蒙军。七月下旬，几乎所有守军都向蒙军投降。蒙军在汉臣的劝阻下没有屠杀城内的军民。

意识到自己大势已去，李璮亲手杀死了自己的爱妾后，来到大明湖准备投湖自尽。然而，湖水太浅，他未能溺死。蒙军赶到后将李璮俘虏，并将他送至蒙军统帅哈必赤面前。为了稳定军心，哈必赤决定将李璮及其几十名心腹全部处斩。