Тем не менее, блестящий успех, которым увенчался поход Ариг-Буки, оказался пирровой победой. Алмалык, место его новой ставки, располагался в степях, и ему по-прежнему не хватало необходимых припасов для ведения войны на истощение, которую навязал ему Хубилай. Он так и не приобрел надежных источников поставок зерна и оружия, а войска Алгу блокировали подходы к южным, более плодородным областям Синцзяна. Похоже, Ариг-Бука оказался в еще более тяжелом положении, чем раньше. Своими действиями, если судить по предвзятому изложению Рашид ад-дина, он только усугублял эти трудности. Он крайне жестоко обращался с пленными, захваченными на войне с Алгу, предавая их пыткам и казнив многих, даже тех, кто не поднимал против него оружия. Такая ничем неоправданная жестокость отвращала от него сторонников, побуждая их дезертировать. Дезертирство значительно усилилось во время особенно суровой зимы 1263 г. Воины Ариг-Буки и мирное население страдали от голода, погибло много людей и лошадей. К весне его покинули даже некоторые самые ярые приверженцы. Один из сыновей Хулагу, Джумухур, сославшись на болезнь, уехал в среднеазиатский, город Самарканд. Сын Мункэ Урунгташ потребовал у Ариг-Буки яшмовую печать своего отца (тамгу). Когда посланцы Ариг-Буки привезли ему печать, он забрал ее и переметнулся к Хубилаю. Алгу, осведомленный о трудностях, с которыми столкнулся Ариг-Бука, перегруппировал свои войска и приготовился изгнать своего бывшего союзника и нынешнего врага из бассейна реки Или.
К 1264 г. Ариг-Бука оказался в безвыходной ситуации. Из-за дезертирства своих сторонников он не мог продолжать борьбу с Алгу, а отступать можно было только во владения Хубилая, который, несомненно, воспользуется случаем отомстить сопернику. Вместо этого Ариг-Бука решил сдаться. Он приехал в Кайпин (в 1263 г. переименованный в Шанду) и предстал перед Хубилаем. После некоторой заминки, вызванной неловкостью, братья обнялись и примирились. Рашид ад-дин и тут не преминул уколоть Ариг-Буку. Он рассказывает, что Хубилай утер слезы с лица брата и мягко спросил его: «Дорогой братец, кто был прав в этом споре и распре — мы или вы?» Ариг-Бука со злобой ответил: «Тогда — мы, а теперь — вы». Этим кратким диалогом Рашид ад-дин показывает неблагодарность Ариг-Буки и отсутствие у него братских чувств, которые только что столь ярко проявил Хубилай. Однако, учитывая предвзятость персидского историка по отношению к Ариг-Буке, скорее всего, этот разговор — лишь плод авторского воображения. В любом случае, Хубилай поначалу не стал подвергать брата никакому наказанию. Однако такая снисходительность оттолкнула многих его сторонников, которые считали, что Ариг-Бука и его приверженцы не должны остаться безнаказанными. Некоторые открыто высказали свое недовольство, но особое впечатление на Хубилая произвели возражения Хулагу. Тогда Хубилай, согласно Рашид ад-дину, попытался унять недовольных монголов, приказав Ариг-Буке «не показываться на его глаза целый год». Очевидно, монголы сочли это наказание слишком мягким; они требовали чистки в рядах изменников, поддержавших Ариг-Буку. Допросив Ариг-Буку и выяснив, кто побудил его оспорить права старшего брата, Хубилай объявил одним из главных вдохновителей заговора Болгая, влиятельнейшего садовника при Мункэ, и казнил его. Та же участь ждала еще девятерых важнейших приспешников Ариг-Буки.
Теперь пришло время судить самого Ариг-Буку. Однако Хубилай не захотел брать на себя ответственность за единоличное решение судьбы своего брата и созвал курилтай для суда над Ариг-Букой и, что не менее важно, для подтверждения собственного избрания на трон великого хана. Чтобы созвать монгольских правителей на курилтай, были отправлены гонцы в главные улусы в Персии, России и Средней Азии. Они привезли неутешительные ответы: все три хана нашли извинения, оправдывающие задержку с явкой на судилище. Берке, правитель монгольских владений в России, и Хулагу, хан Персии, вели междоусобную войну и не могли покинуть свои уделы. Хан Чагатайского улуса Алгу сам еще не был утвержден на престоле и потому не мог выступать судьей в деле Ариг-Буки. Впрочем, все три хана вскоре скончались. Хулагу умер в 1265 г., спустя краткое время после прибытия к нему гонцов Хубилая, а Берке и Алгу пережили его всего лишь на год. Таким образом, судьба Ариг-Буки оказалась в руках одного Хубилая.