然李全降宋，并非出于真心实意——或者说，他由自己的亲身经历，早已看穿了宋廷的反复诡谲及虚伪本质，因而他的归顺从一开始就是出于个人利益的考虑。他一面陷害、火并其他忠义军，大量搜括积聚财富，一面在南宋和金国之间游走，互相要挟，以攫取高官厚禄。虽则在此期间，李全不断率部骚扰金国边境，对牵制金对宋的进攻起了不小的作用，但其人骄横难制，为宋淮东制置使贾涉所不满。贾涉多方采取措施，仍无法抑制李全的膨胀，遂自请还朝，于归途中莫名死去。贾涉之女贾氏有殊色，后被选入宫，成为宋理宗宠妃。贾涉庶子即为贾似道，后来成为权倾朝野的大奸臣。贾涉死后，李全势力更盛，愈难控制。“李铁枪”成为天下无人不知的名字，时人均认为他有左右天下局势的实力。还有人将李全生平事迹编为《李铁枪传奇》，成为与《大宋宣和遗事》[29]并列的最受欢迎的两大话本。
当时南宋在位皇帝为宋理宗。他来自民间，在朝中没有任何根基，却在权相史弥远的帮助下，强行从合法继承人太子赵竑手中夺取了皇帝宝座[30]。太子赵竑则被废为济王，出居湖州[31]。湖州商人潘壬与其弟潘丙、堂兄潘甫等人对史弥远擅自废立很是愤慨，于是与山东忠义军首领李全联络，准备拥立赵竑为帝。赵竑也想与来历不明的宋理宗争锋，决定起兵。但李全表面同意出兵接应赵竑，实际上只想坐观成败。结果到了约定时期，李全不派一兵一卒。潘壬等人竟然组织了一帮渔民、盐贩，乔装成来自山东李全的军队，半夜进入湖州城，将赵竑拥入州衙，以黄袍加身，再一次上演了北宋开国皇帝赵匡胤黄袍加身的一幕。潘壬随即以李全的名义发布榜文，列举史弥远的罪状，声称将领精兵二十万，水陆并进，直捣临安。
赵竑开始很高兴，结果到第二天天亮时就发现了真相，所谓的兵马不过是当地渔民假扮，且人数不足百人。他知道没有武力支持，大事难成，便急忙倒戈，一面派人向朝廷告变，以求自己脱身，一面率领州兵追捕潘壬等人。潘壬改换姓名逃走，潘丙、潘甫等人遇害。史弥远得报后，立即调军前往弹压，大军至湖州时，事变已经平息。潘壬逃至楚州被捕，送往临安处斩。
宰相史弥远担心还会有人利用赵竑作乱，于是假称济王赵竑有病，命门客秦天锡带医生前往诊治。到了州衙，秦天锡宣称朝令，逼迫赵竑上吊自杀，对外则称病死。赵竑死后，史弥远还剥夺了他的王爵。因湖州别称霅川，这场事变即被称作“霅川之变”。霅川之变发生之后，很多大臣上书为赵竑鸣冤叫屈，均被史弥远贬斥出朝。不过，总是不停有人为赵竑鸣冤。尤其一到出现灾害、异象以及战事时，就会有大臣旧事重提，将天灾人祸归咎于赵竑的冤狱。
霅川之变加深了宋廷对李全的猜忌和不满，开始大幅度削减忠义军费用。李全干脆派兵攻破楚州，杀死淮东制置使许国及家小，劫走制置司所储军粮。又将过错推给部下，假意上表请罪。宋廷欲忍让而后图，置之不问。
当蒙古铁骑南下后，与李全鼎足而立的另一大地方武装势力张荣投降蒙，李全忠义军遂成为山东地区唯一一支能够有效抵抗蒙古的军队。李全同蒙古军大小百余战，完全处于劣势，最终被围困于益都。他面临数十万蒙古军劲敌，不断派人向宋淮东制置司求援。宋廷不能审时度势，反而想乘机除掉李全，竟然不顾大局，拒发援兵，还暗中策划谋杀当时尚留在楚州的杨妙真。杨妙真以自身美色及财物诱惑宋将，这才得以脱身，但李全同产兄长李福却举家被杀。
李全被蒙古军围困在益都一年，粮草亦尽，牛马亦食尽，军民相食，益都军民由数十万减至数千。最后力尽计穷时，李全还南向焚香，打算自尽，最终还是在部将的劝说下，投降了蒙古。蒙古授李全为山东、淮南、楚州行省长官，开府益都，仍统率所部。从此，蒙古完全控制了山东，南宋两淮失去了最好的屏障。
此后，蒙古多次要求李全协助攻伐南宋。李全投降是迫不得已，其实并不打算真心为蒙古人效力，率军南下回到楚州后，继续与宋廷保持联络。然宋廷对其防范极深，不断夺其兵粮。李全遂陈兵江上，要挟宋廷将沿江制置使[32]赵善湘、淮东总兵岳珂等人罢官。李全行径最终激怒了宋廷，于是宋廷决意出兵讨伐李全。
绍定四年（1231年），宋将赵范、赵葵大破李全于扬州，用计诓其出营帐，将其陷入坑中，以乱枪刺死。李全以铁枪扬名天下，最终也死在了枪下。李全一死，其部溃散，宋军由此收复淮安。李全妻子杨妙真率领残部退回山东，承袭了丈夫的官职，并于当年到蒙古本部觐见大汗窝阔台。不久，杨妙真退出江湖，不知所踪，其子李璮袭为益都行省长官，拥兵自重，割据一方，但名义上仍然接受蒙古的统治，不断以对抗南宋为名，扩充实力，积蓄力量，经过二十余年的发展，逐渐成为汉地兵力最多、实力最强的世侯[33]。
山东多出豪杰人物，不好管制，益都又处于蒙宋对峙的战略要冲，蒙古为了笼络李璮，以李氏威名镇守山东，不惜以公主[34]下嫁。李璮愈发骄横，蒙哥登上汗位后，几次征调诸路兵，李璮都托词不至。而在其辖地之内，则积极延揽贤士，修缮荒废多年的试院、文庙，招聘儒生。还遣部下到辖境外以高价争购军马。并擅自修益都城防，以砖石筑墙，外掘深堑。蒙古普遍禁止华北修置城壁，李璮公然无视禁令，显然意欲有所作为。
宝祐六年（1258年）春，蒙古大汗蒙哥分兵大举入宋，诏征李璮之兵从征四川。李璮以益都为南北冲要、兵不可撤为由，拒绝出兵。于是，蒙哥改遣李璮从山东南下，进攻宋东海[35]一线，与其内兄塔察儿共同牵制两淮。李璮象征性地打了几仗，便退回山东。
蒙哥死于征宋途中后，忽必烈因与幼弟阿里不哥争夺汗位而爆发了大规模的战争。忽必烈为了稳住李璮，对其“挟敌国以要朝廷，而自为完缮益兵计”隐忍不发，还加封他为江淮大都督。登上汗位后，设立了中书省，任命李璮岳父王文统为平章政事，担任中书最高长官。王文统字以道，益都人氏，原是李璮幕僚。李璮令子李彦简拜王文统为师，王文统则将女儿嫁给了李璮，“由是军旅之事，咸与咨决”。因王文统才干出众，饶有权谋，忽必烈素闻其名，故首加擢用，委以更张庶务之责。
然加官进爵还是不能满足李璮的野心，他趁忽必烈全力抗御阿里不哥之机，于景定三年（1262年）二月初三起兵反蒙。举兵前两天，李璮召回留在燕京为人质的儿子李彦简，并匆忙派人与南宋朝廷联系，以献涟水、海州、东海三城约降。于是宋廷诏授其为保信、宁武军节度使，督视京东、河北路军马，封齐郡王，并追复其父李全官爵。
李璮起兵后，从海州泛海还攻益都，进围济南。守卫济南的蒙古万户张荣亦是红袄军出身，昔日与李全、杨妙真夫妇交好，他不愿意在垂暮之年与故人之子鏖战，只派长孙张宏奔赴燕京告变，自己则弃城逃走。李璮遂顺利占领济南城，一时意气风发，还写下了《水龙吟》一词：
腰刀首帕从军，戍楼独倚间凝眺。
中原气象，狐居兔穴，暮烟残照。
投笔书怀，枕戈待旦，陇西年少。
欢光阴掣电，易生髀肉，不如易腔改调。
世变沧海成田，奈群生、几番惊扰。
干戈烂漫，无时休息，凭谁驱扫。
眼底山河，胸中事业，一声长啸。
太平时、相将近也，稳稳百年燕赵。
踌躇满志，溢于言表。显然，他认为他此次能够一举成功，实现“胸中事业”。
忽必烈听说李璮叛变后，担心腹背受敌，立即积极筹划对策。汉人幕僚姚枢说：“李璮兵变后有三种选择：上策是迅速北上，直捣燕京，控扼居庸关，使北征的蒙古军不能南下；中策是与南宋联合，固守扰边；下策是据守济南，等待其他汉族世侯响应。”姚枢料定以李璮之眼光，必选下策，实际上是坐以待毙。于是，忽必烈命宗王哈必赤总督诸路蒙军、汉军挥师南下，讨伐李璮。
果然如姚枢所料，李璮进据济南后，没有采取进一步的行动。他还指望南宋能助他一臂之力，但自其父李全、甚至自其先祖李成[36]起，李家便有着降宋后又叛宋、反复无常的历史，实在难以赢得信任，南宋朝廷只象征性地封李璮为齐郡王，并未在军事行动上给予有力配合。李璮进攻济南时，曾传檄河北，希望取得河北、山东一带严忠范、史天泽、张柔等汉人世侯的支持，但应者寥寥。
景定三年（1262年）三月，忽必烈军与李璮军队战于高苑老僧口，李璮兵败，退守济南。四月，忽必烈命“缜密谦退”的右丞相史天泽增援。史天泽人称“三哥”，原为河北豪族，蒙古大将木华黎进攻金国时，率众投蒙，并将长女献给木华黎，由此得到蒙古人的信任，是唯一一名官至右丞相高位的汉人。
史天泽到山东后，对主帅哈必赤道：“李璮诡计多端，又有精兵，不宜与他硬拼，应当长期围困。”提出“以岁月毙之”，为哈必赤所采纳。于是，蒙古军开始树栅凿堑，将济南城团团围住。李璮困守孤城三月余，城内粮绝，以人为食，军心涣散，军士纷纷缒城出降。李璮自知破城在即，以镊摘去长髭，吩咐众人各自逃生。当日城溃，李璮亲手杀死爱妾，入大明湖投水自尽，因水浅未死，被蒙古军抓获。
在审讯李璮时，出现了极为戏剧性的场面。李璮先被带到宗王哈必赤帐前。史天泽向哈必赤建议道：“宜即诛之，以安人心。”哈必赤没有同意，而是召集众将进行会审。
严忠范先责问李璮道：“你率兵反叛，这是何等行为？”李璮冷笑回答道：“你们明明与我相约，到了时间却又不来。”话音刚落，便被恼羞成怒的严忠范刺了一刀。
史天泽又问道：“忽必烈没有亏待过你，你为什么谋反？”李璮道：“你也有文书约我起兵，为何背盟？”
史天泽一改稳重作风，勃然色变，立即示意部下砍去李璮两臂，再除两足，开膛吃其心肝，然后割其肉，最后才斩首。李璮全家被诛，只有其妻蒙古公主和公主所生一子幸免于难，忽必烈还亲自收养了这个蒙汉混血的孩子。
李璮起兵，只局限于益都、济南一隅，且起兵五个月即败死，然这一事变的影响却远远大于阿里不哥之乱，引发了一场空前的政治风波——
为了平定李璮，忽必烈动用了自潼关以东、黄河以南所有蒙汉军队，是其所掌握总兵力之七成。南宋朝廷趁淮北空虚，派骁将夏贵渡过淮河，在淮东制置司事李庭芝配合下，夺取七座城池，山东、河北、辽西数千里均为之震动[37]。
而李璮当众揭发严忠范、史天泽之前曾经暗中通信有约一事，亦对忽必烈的统治政策和当时的政局产生了深远的影响。虽然揭发事件后来声称查无实据，但从史天泽不顾丞相身份、急不可待地杀人灭口看来，极有可能是真事。如此，足以说明北方世侯之间时常私下窥测时局，指摘朝政，甚至不时语涉反意。忽必烈虽表示不相信李璮的供词，其实却感受到了汉人豪族势力发展对蒙古统治的严重威胁，下定决心要消除汉族世侯势力，“罢世侯，置牧守”，采取迁转和在地方实行军民分治，果断地解除了他们的兵权，实行兵民分职，管民官理民事，管军官掌兵戎，从而把兵权进一步集中到朝廷手中。
之前擅杀李璮的史天泽为人机警，看出苗头不对，主动上书请求道：“兵民之权，不可并于一门，行之，请自臣家始。”即日史氏子侄解兵符者多达十七人。
汉人世侯张荣因其次子张邦直附会李璮，举家包括其子张邦彦、其孙张宏等均被罢职，张邦直以私贩军马罪处死。另一世侯张柔因被查出其第八子张弘略与李璮通信，也被解除兵权。张弘略召宿京师，实等于软禁。张柔第九子张弘范文武双全，为年轻一辈中之佼佼者，时任行军总管，也被罢免军职。其他世侯如严忠嗣等，要么被解职，要么权力被削弱。
与李璮事变相关的还有王文统被诛事件。王文统原为李璮幕僚，因将女儿嫁给李璮，成为了李璮的老丈人，地位直线上升。不过，他倒并非是靠女儿吃饭的平庸之辈，而是确有不凡的才华。忽必烈攻打襄汉时，王文统的学识引起了廉希宪、张易、刘秉忠等人的注意，被郑重引荐给忽必烈，从此深得器重。忽必烈即位后，任命王文统为中书平章政事，行省事于燕京，总理国家规模法度及财政税赋、差发、盐铁诸事，是汉地政务主管，权力极大。忽必烈称帝后，各种规模法度，多是出于王文统的设计，对日后元朝各种制度的制定奠定了极为重要的作用。
李璮事变后，有人揭发王文统曾派儿子王荛与李璮暗通消息。忽必烈派人查阅王文统与李璮的通信，其中有封信中有“期甲子”的话，十分可疑。王文统对此辩解道：“李璮久存反叛之意，臣本打算早予告发，只是因为北方未靖，陛下亲征，所以迟迟未行。到甲子（1264年），还有好几年。我说这话，是想为陛下推迟他的反叛之期。”此说自然难以取信，王文统与其子王荛均以同谋罪被处死。
忽必烈身边一直聚集有一大批汉族儒士，这些人深得忽必烈的信任，忽必烈对他们也常常言听计从。然而，王文统事件加重了忽必烈对汉人幕僚的疑惧心理。刚好此时色目人[38]一起向他进言说：“回回虽时盗国钱物，未若秀才[39]敢为反逆。”于是忽必烈逐渐疏远汉人儒士，并开始重用色目人以牵制汉人。
