1261年，李璮在暗中悄悄开辟了一条从京城直通山东的驿道。这条隐秘的通道，为他与外界保持联系提供了便利。次年正月，李璮留在京城的质子儿子李彦简，趁机沿着这条暗道逃回了山东。看到儿子平安，李璮心中悬着的石头终于落地，他毫不犹豫地先清洗了军中的蒙古官员，然后将涟水、海州等城池献给南宋，彻底决裂于蒙古汗国，公开投向南宋阵营。 二月十五日，李璮率军向蒲台发起进攻。三天之后，消息传到忽必烈耳中，他暂时放弃了追击阿里不哥的计划，下令调兵讨伐李璮。几天后，忽必烈更是处决了李璮的岳父王文统及其子。二月末，李璮顺利占领济南城，万户张宏率领不到千人的守军，悄然撤出济南，退入附近的山地等待援军的到来。 此时，忽必烈召见大司农姚枢，询问对李璮的战略意见。姚枢分析道：趁我军北伐未归，沿海岸线直取燕京，封锁居庸关，以震慑天下，是上策；若与宋军结盟，依托险阻打持久战，偶尔袭扰边境，使我军疲于奔命，是中策；攻占济南，静待山东诸侯响应，最后被我军围困俘虏，则是下策。姚枢断言，李璮必然会选择下策。果不其然，数日后，济南被李璮攻占的消息传来，印证了姚枢的预判。 三月中旬，忽必烈派出万户阿术和史枢领兵前往济南。二人行至临安附近，正巧遇见李璮出城劫掠，立即带兵迎敌，一口气歼灭敌军四千余人。李璮不敌，只得退回济南城内固守。三月下旬，万户韩世安率军在高苑击败叛军，并俘获李璮部将傅珪。

四月，蒙军包围济南城。李璮多次尝试出城突围，激烈交锋让蒙军逐渐陷入被动。武卫军统帅李伯祐与董文炳上书忽必烈，请求派右丞相史天泽督战前线。四月末，史天泽抵达济南城下，他立刻洞察形势，命人沿城周边修筑长达六十里的围墙，将济南牢牢困住。五月中旬，围墙竣工，李璮数次出城尝试，均未能成功。 某日，狂风骤起，暴雨倾盆，济南城西南五里历山（今千佛山）下的溪水猛涨，蒙军防御工事被冲垮。驻守此处的万户史枢冷静分析，李璮必会趁夜来袭，便以芦苇制成数百火把，埋伏在附近，准备迎敌。夜半三更，李璮果然派兵偷袭。风势猛烈，火把借风熊熊燃烧，李璮军顿时暴露在火光之下。史枢指挥弓弩手齐射，敌军瞬间陷入混乱，互相践踏，死伤惨重，最终狼狈退回城内。 此时，张柔之子张弘范亦领兵参与围困济南。出征前，张柔对儿子叮嘱：不要刻意避开危险之地，越是险地，越容易得到友军支援，也相对安全，更易立战功。张柔与李璮交情深厚，深知其心机诡诈，多次提醒儿子警惕突袭。李璮虽多次尝试突围，却从未向张弘范发动进攻。张弘范料想李璮可能另有奇兵，便命令将士修筑长垒，加宽加深壕沟，并在营垒东门布置伏兵。 次夜，李璮果然派兵偷袭。敌军的飞桥未及壕沟长度，许多士兵掉入壕沟，刚爬起又遭伏击，全军覆没。两名李璮部将被俘后，向张弘范投降。

南宋起初不信李璮会背叛蒙古，直到他归还涟水、海州后，才正式任命其为节度使、齐郡王，同时恢复其父李全的官职，并令夏贵等人于二月初北上支援李璮。 三个月余，宋军气势如虹，一路攻入河北沧州，徐州、邳州相继失守，山寨也被接连占领。蒙军守将或战死，或投降，节节败退。四月，万户韩世安在滨州丁河口击败宋军；五月，蒙军在元帅按脱、万户严忠嗣及郭侃带领下发起反击。宋军效仿蒙军策略，焚毁民房，逼迫百姓南迁。郭侃收复徐州后南下追击撤退宋军，夺回被俘的一万多军民。 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，但进入山东后却踌躇不前，不久退兵南返，使李璮陷入孤立无援的困境。 济南城内粮食告急，李璮多次未能突破围困。为安抚士兵，他将民间女子分给将士，还强征百姓余粮，甚至让士兵与百姓同食共宿。城内军民逐渐对李璮失去信心，频繁有人翻城投降。董文炳闻讯亲至城下，高声喊道：造反者唯李璮一人，其余皆可投降，毋自寻死路。

李璮再难控制局势，士兵大批投降，连最信任的爱将田都帅也倒戈。七月下旬，济南守军几乎全部投降。蒙军在汉臣劝说下，没有屠城。李璮明白大势已去，亲手杀死爱妾后，跳入大明湖自尽，奈何湖水太浅未死，最终被蒙军俘获，押至统帅哈必赤面前。哈必赤为稳定军心，当众处斩李璮及其数十名心腹。