1246年，在蒙古贵族和诸位大臣的强烈要求下，乃马真后不得不召开库里勒台大会。窝阔台在世的时候，曾确定第三子阔出为大汗继位人；但是由于阔出死在了征宋的战场上，所以，窝阔台便将阔出的长子失烈门养在汗廷，并曾说过“失烈门将成为大位继承者和继任人”。因此，当时很多人都要求遵照窝阔台的遗嘱，让失烈门继承汗位。但是，当时失烈门还是个尿床的小娃娃，根本不能够处理军国大事，乃马真后想要她的亲生儿子贵由继承汗位，引发了诸王和大臣的纷纷议论，所以，蒙古帝国的大汗之位，一直悬而未决。
凭借多年树立的威信，乃马真后有充足的把握让儿子贵由继承汗位。但是，由于拔都和贵由不和，拔都认为拥立贵由为汗不过是乃马真后的私意，于是，拔都故意使得乃马真后准备选举贵由为汗的库里勒台大会不能准时召开。后来，当大会要召开的时候，他又借口“脚筋骨痛”拒绝出席大会。
1246年秋，九月二十四至十月二十三，选汗大会在距离哈拉和林不远的鄂尔浑河发源地举行。由于与会诸王百官早已被乃马真后笼络，大家听从她的旨意一致推举贵由为大汗。据说贵由还假意以体弱多病为由再三推让，经过诸王大臣的再三劝进，贵由才表示同意继承汗位，并与诸王大臣达成条件互立誓言，称如果推举他为大汗，以后汗位必须由他的子孙世代相传。乃马真后没有预料到的是，此次继位誓言竟给未来“黄金家族”内部的皇位斗争埋下伏笔，对历史造成了深远影响。
乃马真后把儿子推上了汗位，表面上看她完成了自己的使命，可命运的转盘依旧截然不动，似乎只要她还活着就是帝国权威的象征。她的“卸任不卸权”也注定了元定宗贵由对生母乃马真后的埋怨。乃马真后宠幸回族人奥都剌合蛮，贵由一上台便找借口处死了这个回族法派的人，同时他也处死了迷惑窝阔台的波斯女巫。贵由的这个举措和当初的秦始皇嬴政处死嫪毐几乎一样，直接的矛头指向了自己的生母，乃马真后在奥都剌合蛮死后不久，也伤心过度地去世了。
当乃马真后去世以后，贵由便大刀阔斧地整顿，安内攘外并举，想着重新树立先祖们的辉煌。贵由虽然夺得了汗位，可是他没能团结诸王，当时他与声望最高的术赤之子拔都积怨颇深，而拔都和拖雷家族的后人蒙哥、忽必烈等亲近，这样就导致了贵由政治理想实现的难度增大。贵由想干大革命，可是没个好身体，长期有拘挛病，继位的时候已经41岁，心有余力不足。他为了节制拔都便借着养病的名义出兵西征，结果拔都提前得到消息，贵由就这样神秘地死在途中。
从历史遗留下的资料可以看出，贵由不苟言笑，行事果断，作风利索，是一个很干练的可汗，无奈身体不允许。不过没关系，因为蒙古帝国不乏虎狼英豪，贵由的离去也加速了帝国的统一中国和元朝建立，这也许就是历史的安排。他即位后，第一件事就是审讯法提玛，然后就处死了乃马真后所宠信的理财大臣奥都剌合蛮，加强了中央汗权，还重新任用了镇海等人。
当时有一个波斯人告发：“法提玛对阔端行巫蛊，使他得了病。”而当阔端的病加剧时，他派遣一名急使去告诉他的兄弟贵由，病的发生是法提玛哈敦施行巫术的结果，万一发生了什么事，请追究她；接着就传来了阔端去世的消息。重新被任用的镇海向贵由提醒了阔端使者所说的话，于是贵由下令对这位民愤极大的波斯女巫进行审判。“当她在棍棒拷打下承认之后，就把她（身体的）上下之口都缝住，裹在一块大毡里抛进了水中”，她的左右侍从们也都被处死了。
而奥都剌合蛮被处死，完全是一场教派的斗争和汗权的巩固引发的。首先，贵由曾表示对景教的关怀，而且他的主要大臣以及他的老师合答黑和丞相克烈部人镇海都是景教徒，奥都剌合蛮是出身于穆斯林的著名商人，是回族法派的人物，由于乃马真后的亲信伊斯兰女巫法提玛的极力推荐才被重用。所以，贵由一上台，法提玛和奥都剌合蛮就先后被处死，而信奉景教的教徒克烈部镇海就立马被起用。
另外，贵由对于铁木哥斡赤斤事件，也进行了处理。上文提到，汗位悬而未决之际，铁木哥斡赤斤想用武力和勇敢夺取大位。由于“事起仓促”，而乃马真后又“遂令授甲选腹心，至欲西迁以避之”。耶律楚材建议：“朝廷天下根本，根本一摇，天下大乱。臣观天象，必无患也。”于是，乃马真后派出急使与铁木哥斡赤斤交涉说：“我是你的侄媳，对你存有希望。你这次带着军队和粮食、装备出动有何用意？所有的军队和兀鲁思（分地）都被惊动了。”
同时乃马真后将在窝阔台身边做人质的铁木哥斡赤斤的儿子斡台、孙子明里及其亲属和家仆统统归还给铁木哥斡赤斤。“斡赤斤对自己的意图很后悔，便托词参加某人的追悼会进行辩解。”这时，贵由已从远征中回到了叶密立河畔的大帐里；铁木哥斡赤斤更加懊悔自己的作为，便返回自己的营地去了。
贵由上台后就开始着手调查铁木哥斡赤斤的态度，因为他曾企图攻击摄国皇后，并处罚了他的亲信们。由于蒙古族幼子守灶的传统，铁木哥斡赤斤是幼子，属于皇族至亲；当时，贵由并没有将他处死，而是处死了他的部下官员多人。
在乃马真后摄政期间，诸王贵族失去了大汗的约束，任意征敛，横行不法，造成了社会的混乱以及百姓的灾难。贵由即位后立即着手对此进行整顿，不仅对当时普遍存在违法乱纪的行为进行了认真的整顿，还奖励了唆鲁禾贴尼母子遵法守纪的模范行为，并重申了窝阔台在位时颁布的一切法令。贵由在混乱中重申了法令，恢复了正常的秩序。
贵由也想以他的祖父成吉思汗为榜样，继续征服世界各地；而且坚持蒙古帝国内部的统一，不允许诸汗国出现分立倾向。他加强中央汗权，对分封的汗国的君位继承也加以干涉。比如，当年成吉思汗在西征前，在确定窝阔台为大汗的继承人的同时，要求其诸弟、诸位亲王也要确定一位继承人。当时察合台确定的继承人是他的长子木阿秃干，但是木阿秃干在成吉思汗西征的前线死了；察合台很悲伤，仿照汉族的嫡长子继承制，确定了木阿秃干的长子哈剌旭烈为汗位继承人。
1242年，察合台临死的时候明确表示，将他的遗产交给长孙哈剌旭烈。但是贵由继位以后却出面对察合台汗国的君位加以干涉：由于他和察合台的幼子（第五子）也速蒙哥关系很好，就把察合台汗国的汗位授予了也速蒙哥，并加强了他的权力。正是这次汗位的调整，导致了后来察合台汗国长期的汗位之争。
不仅如此，贵由对于所有被征服地区的国王和首领，都进行改变和调整。由于在位时间只有两年，而且又体弱多病、酒色过度，他还来不及继续成吉思汗的远征就猝死了。史书记载，元定宗二年（1247）冬，蒙古大汗贵由突然“病倒了”。当新春到来时，他说：“天气转暖了，叶密立的空气合乎我的天性，那里的水也对我的病有利。”于是他的亲信到处散布大汗要率大军西巡，到他原来的潜邸叶密立（今新疆额敏附近）去休养，贵由的大将野里只吉率十几万大军先行。
唆鲁禾帖尼王妃和忽必烈兄弟得到密报，认为贵由的仓促（出行）并非别无用意，西巡的目的显然是要袭击他的政敌、蒙古长王、钦察汗国的可汗拔都。于是，唆鲁禾帖尼王妃立即派出密使向拔都通报了这一消息。拔都接到情报后，守着边境，武装起来，准备与贵由作战。
1248年三月，当贵由的大军到达横相乙儿之地（今新疆青河东南），这场战争并没有打起来，因为贵由突然去世了。拔都和贵由的矛盾起源于两个人的立场和政治路线的不同，贵由是维护蒙古帝国的统一；而拔都从钦察汗国的实际和术赤系诸王的利益出发，对贵由大汗干预各汗国内政的行为不满，要求有更大的独立性甚至走上独立发展的道路。因此，他本能地反抗贵由汗加强蒙古帝国统一的措施，故而双方之间的矛盾和冲突是不可避免的。
对于贵由的突然死亡，史书上有几种不同的说法：
其一，由于过早地沉溺于酒色而去世。由于贵由生来体质虚弱，他一生大部分时间都患有某种疾病。同时，他大部分日子里昼夜纵情酒色，不能戒掉这一恶习。
其二，贵由有可能是服用了某种能够致死的毒药，而一般怀疑这是拔都干的。
其三，贵由是与拔都之弟昔班在大帐决斗而同时毙命的。事情是这样的，贵由曾经召拔都前来朝见，以对他表示臣服，拔都当即举行了盛大的仪式，启程出发；然而，拔都和他的部下非常害怕，因此派他的弟弟昔班先行。当昔班到达贵由那里，并且正要向他献盏时，发生了争吵，他们两人互相把对方杀死了。
以上三种说法，都各自有史料记载的证据，但是第三种说法是《出使蒙古记》作者从昔班的寡妇那里听来的，应该说是当时的第一手资料，可以作为重要的旁证，因此具有更大的可信性。
