在判断出了李璮的意图后，忽必烈立即开始调兵遣将，此时从山东、河北一带被召集来跟随他北征的汉人军侯们大多还未回返，中原一带兵力空虚，因此忽必烈只好传诏各地“尽发管内民为兵以备”；同时他还命令济南万户张宏、归德万户邸浃、武卫军炮手元帅薛军胜等部主力集结于滨州（今山东滨县）、棣州（今山东惠民），阻断李璮与在平滦担任总管的其子李南山（王文统女儿所生）的联系；同时还下令水军万户解成、张荣实，大名万户王文广，东平万户严忠范等部集结于东平，意图将李璮封锁在山东东路。
二月二十日，忽必烈又命合宗王合必赤总督诸军，抽调河北诸州县守军随同行动，赵壁与不只儿行省山东，配合主力大军的行动。
可令忽必烈没想到的是，李璮的行军速度比他传讯的速度还要快，就在他的命令刚刚发出不久后，李璮便率军攻入了济南城。
驻守济南的张宏手中只有不到一千的人马，面对着李璮的数万大军根本无法抗衡，于是便弃城逃跑，不得不说，这哥们是个孝顺孩子，逃跑之前还把他爷爷济南公张荣也带上了。
张宏跑到半路，正好和前来平叛的先锋部队会合，在他的带领下，蒙古先锋阿术（兀良合台之子）与史枢二人于老鸧口击败李璮军，李璮率军退守济南城。
此时南宋朝廷也不知道抽了什么邪风，或许是觉得不趁火打劫一下不太合适，竟然主动派军进攻蒙古，用来响应李璮的行动。
其中京东招抚使夏贵的进展最大，接连占据了毫、滕、徐、宿、邳等州，而另有一路宋军乘坐海船绕过山东半岛，在滨州登陆，一路北上竟攻至沧州。
可就在形势对李璮一片大好之时，这位大哥竟然又干了一件令所有人都迷惑不已的事，他竟然率领自己的数万主力龟缩在济南城中不出，面对着宋军的配合不闻不问。
忽必烈正愁兵力不够用，见李璮如此‘善解人意’，心里十分高兴，于是下令围攻济南的战略不变，其余兵马全力围堵北进的宋军，宋军毕竟是异地作战，无以为继，在蒙古军与汉军的合力堵击之下，被迫南撤，无法继续支援李璮。
公元1262年四月，蒙军十七路兵马汇聚于济南城外，开始竖栅凿堑，而后又筑环城六十里，将李璮所部五六万人团团围困于济南城内，同时忽必烈命右丞相史天泽亲往前线，与合必赤共同节制诸军。
李璮起兵本就仓促，济南城又是新攻下之地，城中粮秣军械根本无法供给数万大军之用，仅过了月余，城中便陷入了粮荒。此刻的李璮心里悔恨的要死，早知道造反这么难干，他就不造反了。
可世界上没有后悔药，想要获得多大的荣耀，就要承担多大的风险这个道理，李璮这辈子也明白不了。
城外的史天泽久经战阵，经验丰富，每日只是观察城上守军的状态便大概知道城中的情况，便也不着急攻城，只是将城围的如铁桶一般，不放一人一马出城。
如此僵持近四个月后，城中粮草早已耗尽，守城的士卒甚至以死去的战友尸身蘸盐为食，全军彻底解体。
李璮也自知大势已去，无力回天，于是下令众人各自逃命，他则手刃了自己的爱妾，乘舟入大明湖投湖自尽，却因水浅未死，被攻入城中的蒙古军生擒。史天泽进城后，士兵们将李璮押至其面前，合必赤欲将其送往京城交由忽必烈处置，但史天泽以“宜即诛之，以安人心”为由，将其就地处死。
李璮之乱就此平定。
李璮虽死，但他这次叛乱给蒙古帝国中的汉人世侯们却带来了极为恶劣的影响，在叛乱发生后，身为平章政事的王文统首先被牵连，作为李璮的岳父，他在二月二十三日便被忽必烈下令诛杀，与他一同被杀的，还有他的儿子王荛，罪名是“私通反贼”。
其实后世很多史学家为王文统喊冤，说他根本没有私通李璮，因为在李璮起兵之时是二月初三，而王文统却没有做出任何布置，根本没有与其里应外合的意思。
其实不论王文统到底有没有与李璮私下联系，他死的都不冤，因为据史料记载，忽必烈曾搜到王文统与李璮的书信，里面有一句叫“期甲子语”，忽必烈问他这句话是什么意思，王文统回答道：“李璮久有反心，我建议他甲子年（1264年）再举事，是为了延缓他的反期，给陛下留出处置的时间”。
这句话其实有很浓的狡辩之意，你既然知道李璮要造反，为什么不直接报告给忽必烈，而是叫他延缓两年再造反？
按照这个记载来算，即便王文统与李璮未曾私通，也可以治他一个知情不报之罪，所以为他叫屈，大可不必。
但此时又有一个难题摆在了忽必烈的面前，那就是此案牵连的人实在是太多了，若是都依律处置，恐怕明天的朝堂之上，就不剩几个人了。
这些人中，大部分都是汉军世侯，其中那个被孙子带着逃跑的济南公张荣，他的亲儿子——邳州路行军万户张邦直甚至直接起兵支援过李璮，其他如张柔第八子张弘略，大名彰德路宣抚使游显等人也都曾与李璮互通书信。
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