A partir de 1277, aunque el rey ALFONSO X aun no ha decidido explícitamente su sucesión, SANCHO, su hijo, actúa como príncipe heredero y se hacen preparativos para la proclamación como sucesor al trono. Esto lleva a que VIOLANTE, la esposa de ALFONSO X, su nuera BLANCA y sus nietos, los infantes de la Cerda, intenten huir a Francia, aunque son retenidos en Aragón por PEDRO III, hermano de VIOLANTE de Aragón, prácticamente como rehenes.

ALFONSO X ha provocado con sus contradicciones un conflicto sucesorio a la muerte de su hijo Fernando de la Cerda: ha promulgado las Partidas, según las cuales debe sucederle el hijo mayor del difunto ALFONSO de la Cerda (llamado el Desheredado); pero al morir Fernando, prefiere declarar heredero en 1278 a su segundo hijo, SANCHO IV, siguiendo la tradición castellana (quizá para evitar un enfrentamiento inmediato con éste).

En 1279, ALFONSO X inicia una campaña contra Algeciras, aún en poder de los benimerines. Con ello pretende dejar el paso franco por el Estrecho. Pero la flota castellana es derrotada por la benimerín, que ayuda luego a los sitiados y obliga a las tropas castellanas a retirarse.

En la fecha PEDRO III el Grande se entrevista en Campillo y Ágreda con ALFONSO X y su hijo SANCHO de Castilla y establecen un acuerdo de unión -Tratado de Ágreda- contra el empuje imperialista francés, lo que resulta plenamente satisfactorio para el rey aragonés que consigue tranquilizar la frontera occidental de sus reinos y poder dedicar todos sus esfuerzos a resolver los problemas internos que le acucian en Catalunya así como seguir preparándose para intervenir en Túnez y Sicilia. Por otra parte, PEDRO, que tiene bajo su protección a los infantes de La Cerda, reconoce como heredero legítimo de Castilla a SANCHO, el futuro SANCHO IV de Castilla, a cambio de algunas villas fronterizas, como Albarracín. También se acuerda la conquista y el reparto de Navarra entre los dos monarcas, pero no se hace efectiva.

Se reúnen las Cortes en Sevilla y ALFONSO X esboza el plan que había propuesto a FELIPE III de Francia de crear un reino en Jaen para Alfonso, primogénito de FERNANDO de la Cerda.

El apoyo de FELIPE III de Francia a los herederos de FERNANDO de la Cerda preocupa al príncipe SANCHO, que tiene una primera reunión con PEDRO III de Aragón y acuerda que VIOLANTE regrese a Castilla y que el aragonés retenga a los infantes de la Cerda. Posteriormente tiene lugar una reunión inútil entre ALFONSO X y SANCHO con FELIPE III de Francia. La propuesta del francés de que se separen Castilla y León para dar un reino a su patrocinado resulta inaceptable.

El intento de ALFONSO X de hacer a su nieto ALFONSO de la Cerda rey de Jaén, provoca la rebeldía de su hijo SANCHO, quien busca apoyo en Aragón y Portugal (mientras que Francia apoya a ALFONSO de la Cerda) y se hace reconocer por unas Cortes reunidas en Valladolid, que deponen a ALFONSO X (1282).

El infante SANCHO se opone resueltamente a la propuesta de su padre ALFONSO X de segregar Jaen para darle un reino al infante de la Cerda, estallando, en la fecha, entre padre e hijo una escandalosa guerra civil. El reino es invocado como comunidad que no puede dividirse por la decisión unilateral de un soberano. Todos reconocen a SANCHO como gobernador general y ALFONSO X es suspendido en sus funciones. ALFONSO X pide auxilio a los benimerines de Marruecos contra su hijo SANCHO, a su vez apoyado por el rey moro de Granada.

Durante dos años, ALFONSO X de Castilla y su hijo SANCHO se enfrentan mutuamente, desgarrando a Castilla y León en un nuevo enfrentamiento fratricida. Poco a poco ALFONSO X va ganando ventaja y, a principios de 1284, se intenta una reconciliación entre padre e hijo, pero entonces ambos enferman. Para ALFONSO X aquella enfermedad será mortal. ALFONSO X que fallece en Sevilla, deja trás de sí un reino en guerra, un hijo maldecido y un testamento que no será cumplido. En sus últimas voluntades, dictadas en enero de 1284, dispone que el reino de Castilla y León, por derecho de representación instituido en «Las Partidas», corresponde a ALFONSO de la Cerda y a su linaje y que si éste llega a faltar pase al rey de Francia. A su hijo JUAN le deja un reino constituido por Sevilla y Badajoz y a su hijo JAIME el reino de Murcia.

ALFONSO X ha destacado por su erudición y su estímulo de la cultura. A su iniciativa se deben tratados científicos como los Libros del saber de astronomía y el Lapidario; obras literarias como las Cantigas; textos históricos como la Crónica general y la General e grand estoria; las compilaciones del Fuero real y las Siete Partidas; e incluso unos Libros del acedrex e dados e tablas. Reunió en su corte a grandes eruditos cristianos, árabes y judíos aglutinados en torno a la escuela de traductores de Toledo. Su obra sobre astronomía contiene una nueva formulación de los movimientos planetarios basados en las doctrinas de Hiparco y Tolomeo, que situaban la Tierra en el centro del sistema. Los cálculos matemáticos que dichos movimientos requerían eran tan complicados, que se atribuye a Alfonso la observación de que «si Dios me hubiera pedido consejo, le hubiese recomendado algo más sencillo». (Y estaba en lo cierto, pues la verdadera estructura del sistema planetario era más simple.) El cráter lunar Alphonsus recibió este nombre en su honor.