紧锣密鼓策划叛乱。忽必烈对李璮的阴谋虽有所觉察，因与阿里不哥的战争胜负未分，北方形势严峻，对他也只好暂时容忍，寄希望于叛乱能延缓发生。
梅花图李璋岳父王文统为忽必烈平章政事，能随时了解朝廷动向；一妻为东道宗王塔察儿之妹，与蒙古贵族联系交往亦深。惟一子彦简，为质子住京师质子营，使其不能不有所顾忌。自京师至益都有李璮所置私驿，中统三年（1262）正月，彦简乘私驿逃归，李璮更无后顾之忧。
二月，璮献涟、海等三城于宋，乘蒙古军无备，起兵叛元，尽杀蒙古戍军，攻占益都，发府库犒军，并迅速占领济南。此时，北方战事转而对忽必烈有利，阿里不哥与察合台汗阿鲁忽发生矛盾，并亲率大军前往讨伐阿鲁忽，正当南军准备追袭阿里不哥时，李璮叛乱的消息传至，忽必烈不得不急撤追袭阿里不哥之兵，发蒙古、汉军，部署平叛。
忽必烈请姚枢分析形势，枢称“使追乘吾北征之衅，留后兵寡，濒海捣燕，闭关居庸，惶骇人心，为上策；与宋连和，负固持久，令数扰边，使吾疲于奔救，为中策；如出兵济南，待山东诸侯应援，此成擒耳”6，并断定李璮将出下策。忽必烈在布署平叛时，重点也是防止李璮兵出山东至河北、燕地，阻止其采用上策