海都之乱是元世祖至元五年（1268年）至元成宗大德十年（1306年）元朝西北宗王海都联合其他藩王发动的叛乱事件。至元六年（1268年），海都、八剌和钦察汗国君王在塔拉斯河会盟，公开反对忽必烈和伊儿汗国，并商议以海都为盟主。会盟各王指称忽必烈汗已经被汉族同化，言明要对忽必烈用兵以恢复蒙古人的游牧本性。

自成吉思汗死后，由第三子窝阔台一系继任大汗，但是窝阔台汗之子贵由汗死后，窝阔台汗一系失去了汗位。蒙古提议召开库里台大会，力挺拖雷的长子蒙哥为大汗。自拖雷后裔蒙哥当选蒙古大汗始，窝阔台后裔渐失势，海都作为窝阔台汗的孙子，即于此时分封至蒙古以西的海牙里。

忽必烈长期被分封到中原地区，接受儒家思想影响，积极准备汉化改革，这与海都等蒙古保守派格格不入。蒙哥汗死后，忽必烈受到汉族儒家士子支持占据漠南中原地区自立为汗，海都支持新汗阿里不哥与忽必烈争夺汗位，终告失败。但海都希冀大汗之位属于窝阔台后代，遂积蓄实力，联合钦察汗国，图谋与忽必烈争夺蒙古帝国大汗宝座。成吉思汗曾经说出，只要窝阔台有一个吃奶的后代，都比其他人优先继承，因此他不断图谋反对忽必烈。

因为窝阔台汗一系密谋分裂蒙古帝国，企图侵夺忽必烈的汗位。忽必烈遂派察合台后嗣八剌返察合台汗国争夺汗位，企求引起西部诸王内乱，以便其集中精力灭南宋的战争。令忽必烈意外的是，海都虽然与八剌初亦激战，但旋即和好。海都统辖叶密立（今新疆额敏东南）一带原属窝阔台和贵由的封地，于至元五年（1268年）发动叛乱，并建窝阔台汗国。随后，与昔里吉、乃颜等叛乱宗王交相侵扰西北地区，以致忽必烈徵调攻宋的伯颜军北上平叛。

至元五年（1268年），海都一部游弋东趋，进入岭北，驰突蒙哥之子玉龙答失所统巴邻部众。这很可能只是偶然事件，但马上被驻扎在蒙古高原的忽必烈军队视为海都称叛的信号。于是漠北的元军出兵，在北庭击败了反叛的军队，而且又追杀到阿力麻里（位于今新疆霍城县西北），叛军接着逃走至两千余里以外，世祖下令停止追击。直到这时，海都似乎还力图避免与忽必烈军正面开战，因此才会从阿力麻里西撤。海都的西奔，引起了当时的察合台汗国兀鲁思汗八剌的疑惧。八剌深恐海都就此西渡锡尔河，夺取河中，因此急忙出兵拦截，两军在锡尔河畔相遇，发生大战。八剌先胜，海都在获得术赤后王的援兵后再度出战，大败八剌。八剌军退至河中，预备整军再战。

为了避免河中地区的城郭遭到更大破坏，海都派遣合丹（窝阔台子）的儿子钦察去与八剌约和。至元六年（1269年）春，术赤兀鲁思、察合台兀鲁思和窝阔台兀鲁思三方会盟于塔剌思河。三方议定：互结为“安答”；河中地区三分之二划归八剌，剩下三分之一属于海都和蒙哥帖木儿；诸王各自退回山地和草原，不得进入城郭地区，不在农耕地上放牧牲畜，也不向城郭居民滥行征发；农耕定居区域的管理仍由麻速忽负责；为了增加八剌的牧场、土地和军队，将由海都派兵，援助八剌西越阿姆河去侵夺伊利汗阿八哈的疆域。

翌年（1270年）开春，八剌便从河中西攻呼罗珊。伊利汗阿八哈在也里（今阿富汗赫拉特）附近用计大败八剌军。八剌败退河中，不久死去。察合台孙聂古伯（撒里班之子）被海都立为察合台兀鲁思的新汗，察合台兀鲁思沦为海都的附庸。海都取得对突厥斯坦和河中的支配权后，对元朝的态度逐渐强硬起来，开始了与元朝在天山南北两路直接对峙和争夺的阶段。

至元八年（1271年），忽必烈命北平王那木罕开府于阿力麻里。至元十年（1273年），那木罕趁察合台汗聂古伯与海都不睦，发兵前往征讨。聂古伯死，不花帖木儿（察合台第七子合答海之子）继位为察合台汗，不久也死去，八剌之子笃哇即位。此两汗均由海都援立。至元十一年（1274年），元廷设置畏兀儿断事官；增设斡端、鸦儿看（今新疆莎车）等驿站。至元十二年（1275年）正月，忽必烈连续下了三十四道追拘海都、笃哇金、银符凡的诏书。拘收的旨意和牌符更加激化了双方的冲突。大约在至元十二年（1275年）夏季，窝阔台系诸王禾忽（贵由子）沿塔里木沙碛南缘进至蒲昌海（即罗布诺尔，在今罗布泊西）一带，切断元朝通向巴达黑伤山地的驿路。

笃哇和他弟弟不思麻率兵围攻别失八里，应当也在这时候；他们很可能是与禾忽分道征进，即沿天山南麓、塔里木沙漠北缘东袭，然后越过天山直至别失八里城，并一度攻占此城。是后不久，畏兀儿亦都护就从残破的别失八里南徙，移治于哈剌火州（在今新疆吐鲁番以东）。针对海都、笃哇东进的形势，元廷派昔班出使海都，谕之罢兵。至元十二年（1275年）七月，又诏安童以行中书省、枢密院事，增援阿力麻里，助那木罕镇边。海都被昔班说动，退军并设置驿站；而这时安童已经率部攻克了火和大王的部落，将他的财物辎重全部占据。

至元十四年（1277年）春，叛军从他们的吉利吉思、谦州大本营南进，结集在和林北面鄂尔浑河、土拉河一带。夏，漠南元军击溃驻牧应昌的翁吉剌贵族只儿瓦台响应昔里吉的叛乱后，绝漠增援和林地区。七月，伯颜奉诏统领岭北诸军平叛。元军在土拉河、鄂尔浑河连胜叛军。昔里吉等败退吉利吉思。至元十五年（1278年），元军在唐麓岭（今唐努山）以南巡弋，逐渐形成对吉利吉思的军事包围。至元十六、十七两年（1279—1280年），双方不断交战，元军一度进至位于叛王巢穴的谦河（今叶尼塞河上源）、兀速水（今叶尼塞河上游支流乌斯河流域）一带。这时叛军已失去继续作战的能力。连叛王中最号强盛的脱帖木儿，也认为战事僵持、士兵厌战。于是叛王之间发生了内讧。昔里吉和撒里蛮互相攻杀。至元十九年（1282年），他们先后赴阙谢罪，长达七年的昔里吉之乱遂告结束。

至元十七年（1280年），术赤后王忙哥帖木儿病死。翌年，脱脱蒙哥继位为金帐汗，将被拘质的那木罕遣回。至元十九年（1282年），昔里吉乱平。元廷因改封北平王那木罕为北安王。看来那木罕东归以后，主要驻扎在岭北。突厥斯坦方向的经略，大约在这前后已由察合台诸王阿只吉负责。岭北局势渐趋平静，岭西地区却又在酝酿一场新的战争。至元十五年以后，元政府不断向别失八里增兵，力图收复天山南路诸城。海都也逐步改变已恪守多年的拥兵观望立场。至元十七年（1280年），禾忽子秃古灭袭攻哈剌火州，劫掠附近地区。至元十八年（1281年），刘恩率元军击败海都部将，进据斡端；翌年又击退前来攻城的海都系诸王。至元二十年（1283年），海都遣八把率众三万攻斡端，刘恩以众寡不敌，破围退师。元军虽然丢失了斡端，但从至元二十一年（1284年）元朝的“游击军”曾进至可失哈儿一带的事实判断，至少北道的曲先（今新疆库车）这时仍被元军控制着。

就是在收复斡端之后，海都再次向元廷表示愿意和解，遣回了拘禁于窝阔台兀鲁思的安童和石天麟。至元二十一年（1284年）三月，那木罕、安童相继回到漠南。但元朝不甘心轻易放弃天山南路。海都方面未获得预期反应。至元二十二年（1285年），笃哇、不思麻领兵十二万，击败诸王阿只吉，进围畏兀儿亦都护所驻之哈剌火州。围城之战持续六个月。城中食尽。火赤哈儿亦都护献女求和。都哇解去。元廷遂派伯颜西巡，取代阿只吉，负责别失八里的军事。

至元二十三年（1286年），海都以偏师袭阿勒台山地区，自率主力由阿力麻里东进，在马纳思河（今玛纳斯河）与元军交战，击溃元军，掩杀至哈密之地。畏兀儿亦都护火赤哈儿这时屯驻于哈密，战死。此后亦都护移治甘肃行省的永昌。海都不久退回。元军重戍于畏兀儿之地。斡端也再度回到元朝控制下。至元二十四年（1287年），西北相对平静，但东北地区爆发了铁木格斡赤斤后王乃颜的叛乱。海都之乱的余波一直到大德十年（1306年）才最终结束。

至元二十五年（1288年），西线海都军东进打败岭北的元军。次年，忽必烈不顾高龄亲征。大德五年（1301年），海都几次战败，死于退军途中。大德十年（1306年），其子察八儿率部归顺元朝。

元朝在西北的军事行动，并没有获得很大的成果，反而屡屡引发海都为维护西北宗王的势力范围而起兵称乱。为削弱元廷对西北的军事压力，海都一再进攻岭北。而当战火烧到岭北的时候，要同时维持远离中原根据地的西域和岭北这两个地区的战事，对忽必烈来说确实有些力不从心。岭北是“祖宗根本之地”。保住岭北对保持号令诸藩兀鲁思的大汗地位至关紧要。为了集中力量确保岭北，元廷被迫收缩它在西北方向的战线。至元二十六年（1289年），元朝撤出斡端。自此别失八里从元朝在西北地区的统治中心变为西北前沿的边城。忽必烈死后，元朝虽曾再度在曲先设置都元帅府，但不久就连同别失八里、哈剌火州一起被察合台兀鲁思占有，至是，元朝势力基本上退出中亚。从此元与西北诸藩也大体相安无事。