出镇北境，讨伐叛王

平宋还都后，世祖对其信赖更重，曾面谕太子真金，“伯颜才兼将相， 忠于所事，不可以常人遇之”。因此，当宋亡之后，北方诸王不时作乱威胁到元朝安全时，伯颜又肩负起镇守北疆的重任。至元十四年，漠北迭传边警， 急报诸王昔里吉劫北平王那木罕、右丞相安童，“胁宗王以叛”。忽必烈命伯颜统兵北征，坐镇和林，都督诸路军平乱。是秋，伯颜率所部与叛军遇于斡鲁欢河（今鄂尔浑河）。两军隔水相持竟日，伯颜令部下“牧马具食”以迷惑对方，敌军果中计懈怠。伯颜掩其不备，分军为二，迂回包抄，大破敌军。昔里吉由此一蹶不振。

十八年，燕王真金领父旨巡抚北疆，伯颜被指派随行，日与太子“论天下事”，以备顾问。真金也对其尊礼有加，事实上伯颜是以其丰富的治军经验辅弼太子在实践中历练才干。

二十二年，诸王海都与都哇联兵反叛，西北边陲的别失八里与火州频频告急。伯颜再度受命，取代失职的宗王阿只吉，统帅西北边军。他的到来一度稳定了边防形势，解除了都哇对火州的围困，并恢复了屯田，尽可能以当地资源来保障军需供给。次年，伯颜指挥元军进军别失八里，在洪水山击败叛军，但因“追击浸远”，后援不至而败绩。

二十四年春，东道诸王乃颜将叛，伯颜曾衔命深入其地探察。乃颜假意设宴款待，阴谋伺机拘捕。伯颜察觉，以智脱身。归来后，又伴随忽必烈亲征乃颜。他所推荐挑选的汉军李庭、董士选部担当护驾宿卫，在征战中“以汉法战”，力却叛军。

乃颜虽灭，海都对北疆的威胁却长期不能解除。二十六年，伯颜以中书右丞相兼知枢密院事的双重头衔出镇和林。二十九年，宗王明里铁木儿入寇。伯颜奉命进讨，遇敌于阿撒忽秃岭。敌方居高临下，飞矢如雨，众军畏战不前。伯颜率先冲锋陷阵，带动部属大破敌兵。次日，他又乘锐追击，歼敌数

千。对待战俘，他力戒祭旗的陋习，并致函明里铁木儿，促其感悟来归。 伯颜久戍北土与海都周旋而未能彻底殄灭，朝中便有人进谗，说他作战

因循保守，“无尽寸之获者”，甚至怀疑他与海都通好。终于使伯颜被撤换， 由御史大夫玉昔帖木儿代行其职。临近交接时，适逢海都又来进犯，伯颜不因被谗而放弃职守，他深知海都“邀之即遁”的习性，决定诱其深入，以便一鼓擒敌。所以交战后并不急于迎击，而是一连七天“且战且却”。诸将不解其深意，执意还军迎战。伯颜因已被解职，难以约束部众，只得任其改变战法，结果又使海都逃脱。

南归前，当时抚军巡边的皇孙铁穆耳特意向伯颜征询驭兵之道。伯颜诫之以酒色当慎、恩威并济、营驻循旧三条建议。

至元三十年（1293）冬，忽必烈病重不起，召伯颜自大同还都。次年正月，忽必烈逝世，伯颜遇变不惊，镇定如常，统领百官保持了宫中的安宁。皇孙铁穆耳即位于上都，亲王中有人表示异议，伯颜作为朝中重臣，挺身而出，“辞色俱厉”，“陈祖宗宝训，宣扬顾命”，稳定了政局。成宗即位后， 升为太傅。

同年，伯颜染疾，仍扶病参谋、顾问政事。是冬十二月，病故，终年五十九岁。

伯颜一生治军严谨，赏罚分明，“诸文武将佐，皆密悉其才用，临事遣授，各尽其当。故能所向无前，动必有成。”