李璮反蒙后傳檄四方，結果只有太原路總管李毅奴哥，達魯花赤戴曲薛以及邳州萬戶張邦直響應。其他人非不支持，反而在蒙廷督責之下帶兵參加對李璮軍的圍剿。李璮把成功的賭注完全壓在不切實際的空想上，結果只能一步步地將自己引向坐而待斃的死路。

就在李璮頓兵觀望的時候，蒙廷逐漸完成了圍攻濟南的軍事部署。不久，濟南郊外集結了十幾萬軍馬。蒙軍樹柵鑿塹，圍困濟南。

忽必烈為了統一軍令，下詔命右丞相史天澤專征山東，諸將皆受節度。史天澤接受軍前行中書省參議宋子貞的建議，與前線統帥宗王合必赤商定，急增深溝高壘，圍困李璮軍。

蒙軍又在原有圍城工事基礎上進一步構筑環城，濟南被完全困死。李璮身陷孤城，不復得出。

上萬宋軍由海路北上，進攻滄、濱等州，是舉或有接應李璮的意圖，沒有成功。除濟南、益都等大城池外，山東東路大部很快被蒙軍收復。

望著城外如蟻的蒙兵，李璮頓生絕望之心，他想起了剛剛歸順宋國時，宋國皇帝趙昀作的一首詩，專門贊美他的歸宋之舉，詩句如下：

九扶漢鼎賴元動，泰道宏開萬象新。

聲塈南郊方慕義，恩漸東海悉來臣。

凱書已奏三邊捷，廟算全消萬里塵。

坐致太平今日事，中興寶運喜環循。

他本人呢，自然春風得意馬蹄疾，興高采烈之余，吟起了詩詞：

腰刀首帕從軍，戍樓獨倚間凝眺。中原氣象，狐居兔穴，暮煙殘照。投筆書懷，枕戈待旦，隴西年少。歡光陰掣電，易生髀肉，不如易腔改調。

世變滄海成田，奈群生、幾番驚擾。干戈爛漫，無時休息，憑誰驅掃。眼底山河，胸中事業，一聲長嘯。太平時、相將近也，穩穩百年燕趙。

史天擇督軍，加緊圍城，并派小股軍隊不斷襲擾濟南城。李軍竭力抵抗，奈何城中糧食告急，士氣逐漸衰落。

李璮命令軍士隨意捕捉城內百姓子女，誰抓到就歸誰，一時間，兵將亂抓城內百姓，不少百姓奮起反抗，被抓的哭聲震天，城內大亂。

史天擇命令大軍攻城，李軍抵擋不住，蒙軍攻入濟南城，李璮率軍左沖右突，不能脫圍。

李璮坐庭院中，拈香而拜，大呼："李璮死于此！李璮死于此！"

第二天，蒙軍殺向濟南府衙，李璮見大勢已去，手刃愛妾，乘舟自投城內大明湖中，因水淺未死，被蒙軍捉獲。

史天擇命令親兵將李璮帶上來，李璮懇求道："史丞相，我已知錯，你我皆是漢人，你饒了我吧，我再也不起兵反蒙了！"

合必赤粗聲道："李璮，你當初起兵反蒙時，收到宋帝趙昀的贊美詩，你呢，寫了反蒙詩，今日被擒，為何如此低三下四？！你為何不像你爹，有點英雄氣慨！"

史天擇手拈白須，緩緩道："既知今日，何必當初？嚴忠范，行刑！"

嚴忠范走到李璮身邊，突然拔出短刀，剌向李璮右肋。

李璮慘叫一聲，倒地不起，兀自掙扎，口呼："史丞相，你有文書約俺起兵，何故背盟？"

史天擇聽了，臉色突變，命令嚴忠范繼續行刑。

合必赤急忙制止，為時已晚，嚴忠范刀起，已割下李璮首級。

不久，史天擇引軍東行，未至益都，城中人已開門迎降，李璮之亂至此完全平息。

此番李璮反蒙，牽涉到很多被忽必烈委以文、武要職的漢人親信。中書平章王文統與李璮長期秘密溝通，事發后與其子王蕘一同被誅。推薦過王文統的劉秉忠、張易、商挺、趙良弼等人都受到忽必烈的懷疑。商挺從關中被急召回都，受到軟禁和盤查；趙良弼更被"威刑臨恐，譴訶百至"。至于史天澤在濟南城下之日匆忙殺李璮滅口，回朝后則以"擅殺自劾"。忽必烈雖未加罪責，但李璮與漢地世侯們私下交通，他心里顯然是十分清楚的。

事實上，世侯中間走得最遠的如濟南張榮之子張邦直，或在宋兵呼應李璮從南線發動攻擊時，獻邳州城投降過宋朝。在汗位爭端尚未完全解決的情況下，過分追究北方世侯與李璮之亂的關系，可能把他們逼到公開與朝廷對抗的立場上去，這會給政權本身帶來很大危害。因此，忽必烈很快停止了追究，在政治上繼續優容各地世侯，以免迫使他們鋌而走險；同時也充分利用他們害怕朝廷深究的自危心理，裁削私家權力，把這些專制一方的軍閥變成中央集權的專制君主統治下的文武官僚。

不久，蒙廷先后在北方漢地實施兵、民分治，罷世侯、置牧守、行遷轉法，易置漢人將領部屬、將不擅兵等制度。從這個意義上可以說，李璮之亂失敗，進一步促成忽必烈政權對華北各地統治的集權化過程。a