当忽必烈听到蒙哥的死讯时，为了争夺汗位，与南宋暂时议和，撤兵北归。
忽必烈先回到自己的大本营开平（多伦西北）作了一番部署，然后一反传统的选汗形式，于1260年三月在开平宣布自己即大汗位（元世祖）。同年四月，蒙哥幼弟阿里不哥也在和林即大汗位。最终，忽必烈凭借着汉族贵族和一部分蒙古贵族的支持，于1264年击败了阿里不哥，成为蒙古第五代大汗。随即，忽必烈改年号为至元，建都燕京，并仿照汉人预立皇太子的办法，确定了帝位继承人。
元朝开国后，一切政治制度和国家机关组织大半都沿袭辽、金的旧章。1272年又在燕京旧城的东北筑新城，建设宫殿衙署。命名首都为大都。此后，元朝的政治重心就完全移到中原来了。
此外，他又依照中原的传统，采用《易经》“大哉干元”的说法，于1271年改国号为大元，忽必烈为元世祖。
忽必烈的身世和文治武功
忽必烈是成吉思汗的孙子，拖雷的儿子。拖雷共有十一子，其中长子蒙哥、忽必烈及阿里不哥为同母兄弟。
据说忽必烈容貌亦非同常人。关于忽必烈的容貌，我们可从马可·波罗的游记中略知一二。马可·波罗的记述如下：“大汗风度翩翩，看起来让人心生好感”，“不长不短，中等身材，筋肉四肢配置适宜，面上朱白分明，眼黑鼻正”。
从才智上说，忽必烈也有其过人之处。他知人善任，信用儒术，立经陈纪，规模宏远。年轻时常和汉人接触，因而对中国历史文化颇有心得。尤其唐太宗更成为他崇拜的对象，并且延揽大批中原汉人去加以仿效。
公元1251年，蒙哥即可汗位后，因为忽必烈对汉地情形最为熟悉，便把南方汉地交给忽必烈管理。忽必烈在金莲川设置幕府，积极网罗人材，来规划和执行重建汉地的工作，并实行宽大政治，改善了汉地纷乱不治的情况，足见其才智非同一般。
1275年，忽必烈派兵再次南下征宋。1279年，南宋王朝灭亡。至此，忽必烈不仅是大蒙古帝国可汗，而且是中国的大皇帝，更以后者为“实”，前者为“名”。
忽必烈的文治武功主要表现在：
一、对外的武力扩张。蒙古是个好战的民族，军事的扩张几乎永无止境。他们自认为代表上帝的旨意，征服和惩罚那些不服从他们的罪人，具有统治世界的野心。忽必烈少时即征战各地，建立大元帝国后更继续扩大军事规模： 降服高丽，两次东征日本，四次南征安南，五次南征缅甸与八百媳妇，对东海与南洋群岛用兵等。
其中远征日本的出师不利，也产生了著名的日本“神风”传说。日本两次将忽必烈的来使斩首，又两次使其远征失败，本想藉第三次远征维持其声望，但最终却因大臣的劝阻及征伐安南而将所有的准备放弃。此外，征战安南历时34年，结果却是损兵折将，除获一个藩属外，可说是得不偿失；对八百媳妇一隅之地也始终不曾征服。忽必烈对外的武力发展，在并非一帆风顺的情况下，逐步走向一个饱和点。
二、开国建制。蒙古大帝国的完成以及元朝一切开国规模与各项政治制度，都是在元世祖的时候，所以元世祖属于元朝开国建制时期。由于受大臣姚枢的影响，元世祖相当仰慕汉人的文物教化，其延揽了大批包括窦默、许衡、刘秉忠、王文统、张文谦的汉儒，而订定出一套中国型的政治制度。包括：
１．定年号与国号。由元世祖即位开平的元年，开始定年号为中统元年。而国号则是采纳刘忠秉的建议，名为大元。过去历代都由当初封邑之名为国号，而其以易经中“大哉干元”的文义命名，也说明了蒙受统治者接受中国的文化传统后，竟以承继唐尧虞舜之绪而自居。
２．建都邑，继续推行仿唐、宋制度建立的政治体系。公元1272年，元世祖正式以燕京为大都、开平为上都。又盖上都为夏都，大都为冬都，皇帝春夏在夏都，秋冬在冬都。所以在地理上而言，大都是控制中国大本土的政治中心，而上都则是负责控制北方蒙古本土。
蒙哥统治时期，蒙古帝国仿照唐、宋制度建立了各个政权机构，在首都设立了六部，并将中央权力分成行政、军事、监察三大部分。同时还仿照金人作法由枢密院直接主管所辖各省。忽必烈则继续推行和完善上述政治体系。
３．隆祀典。蒙古一直以来，祭祀之礼都仅仅是割牲肉奠马乳以蒙古的巫师祝致词而已。到了元世祖时期开始大隆祀典，除了完成七庙之制和一切祭祀的典礼，并还追尊皇祖考妣之尊号与庙号。
４．制定文字。蒙古人本来只有语言而无文字，之后逐渐使用畏吾儿的拼音字。后来元世祖尊吐蕃僧八思巴为国师，运用吐蕃文字另造蒙古新字一千余，又由于受了汉人影响，格式采用直书。
５．确定国教。蒙古在长期争战之中受了宗教影响，深刻感到要完成政治统一必须尊重宗教。所以元世祖统一中国后，对宗教采取放任的态度，而众多教派中以佛教的喇嘛教最受崇敬。忽必烈本人对于佛道尊崇有加。在他的提倡下，全国佛寺达到4.2万座。
６．制定历法。元世祖一统天下便改修历法，于至元十七年颁行“授时历”，为唐宋以来最完善正确的历法。之后又经多次修订，到郭守敬修正完毕，八十几年间不曾出错，可谓元朝一大事。
７．制定行钞法。社会上流行的铜钱经宋辽金至元已非常混乱，不如银丝的简单，所以以丝银为本(纸钞成为丝银替代物)，较易维持币值。而元世祖本意想大力奠定纸币政策，但因百姓习惯使然而逐渐作罢。
８．水利交通。元世祖时水利交通的重要建设有二项：一为开运河，包括会通河以及通惠河的开辟，使南北运河全面开通，而江淮漕运可直达燕京；这加强了南北方的交流；一为通海运，使海运于元朝正式成为国家的漕运航路。
９．完成站赤（驿站）制度。元朝赖以统治其庞大区域，保持全国政治军事、经济与交通联系的就是"站赤制度"。蒙古人所谓的站赤制度就是驿站，在中国由来已久，但到了元朝将其加以扩充，在元世祖时终告完成。据记载，全国站赤共有1400处，这个数字还不包括边远地区和四大汗国间的驿站。
和驿站相铺而行，专用以传递紧急文书的机构叫急递铺。每十里或十五里、二十五里设一铺，每铺置铺丁五人。铺丁一昼夜行四百里，用徒步奔驰，辗转传递军政机要文书。
元代的驿传制度对当时的波斯、俄罗斯、埃及和中亚、西亚诸国都产生了影响，在俄罗斯竟沿用了数百年之久
１０．建立农社制度。元世祖即位，因其习知汉人的风土人情，乃提倡农业，定立“农社制度”。其制度相当周详，为一种国家监督下的农民社团组织，目地为振兴农田水利，亦兼有政治性的组训作用，以与其军政制度相配合。
三、平定叛乱，加强对边疆的管理。海都是窝阔台汗的孙子，对大汗位落入拖雷系一直心怀不满。阿里不哥失败后，他占领窝阔台汗国领地，于1268年（至元五年）发动叛乱。被击败后，他又和察合台汗的孙子笃哇勾结在一起，骚扰火州（吐鲁番高昌故城）。1287年，海都又煽动东部诸王后裔乃颜、势都儿、哈丹等人发动叛乱。元世祖闻讯后，亲率两路大军前往镇压，消灭了叛乱势力。
元世祖在平定东北诸王叛乱后，设置了辽阳行省，并在叛王封地内置万户府，用以削弱藩王的权力。这时海都在西北仍不断骚扰，1289年七月，世祖已经74岁，仍决定率兵亲征。海都闻讯远逃。世祖去世时，海都已被逐出阿尔泰山之北。 1302年，海都败死。1306年，海都子察八儿投降，西北诸王的叛乱，至此全被平定。
忽必烈统治时期，还加强了对边疆的管理。元朝政府在西藏设立乌斯、藏、纳里速·古鲁·孙等三路宣慰使司都元帅府，有都元帅、宣抚、安抚、招讨等使。乌斯即前藏，藏即后藏，纳里速·古鲁·孙即阿里三部。当时把前后藏分为十三个万户，万户长以上的官吏由中央直接任命。此外，还在西藏设置驿站，调查户口，征收赋税，屯戍军队。总之，从元朝开始，西藏地区已正式成为我国中央政府直接管辖的一个地方行政区域。
元朝还在云南设置了行省。行省之下，还设置了路、府、州、县。又设置若干军民总管府。此后，云南和内地的联系更加密切。此外，元朝政府在台湾地区正式建立行政权力机构，即澎湖巡检司。
元朝的大统一和采取的管理措施，促进了边疆各族和中原地区经济、文化联系的发展；各民族联系的加强，又巩固了空前统一的国家。由于当时大量汉族被签发到边地去开垦，边疆各族也大量迁入内地定居，宋、辽、西夏、金时期各少数民族偏守一隅的情况逐渐有了变化，相互间开始加强了沟通和联系。
此外，忽必烈还尊孔重道，任用贤才，兴办学校；劝课农桑、安恤流民。他还“复租税，均赋役；明刑典，理狱滞”。
忽必烈统治时期的经济繁荣
忽必烈统治时期采取的上述措施，有利的推动了经济的发展。
在农业方面，由于贯彻了重视农桑的政策，各地的农业生产都取得了不同程度的恢复和发展。农业发展的表现，首先是水利灌溉业的发达。元初，内设都水监，外设各处河渠司，以兴举水利，修理河堤。宋、金时的水利工程，在元朝都逐步得到了恢复。王祯《农书》中介绍用于灌溉的水车就有七种，其中高转筒车可引水到二百余尺的高地。
其次，粮食产量也有了较大的提高。元世祖时期，陕西关中地区的小麦"盛于天下"，关、陇、陕、洛出现了"年谷丰衍，民庶康乐"的景象。长江以南地区产量更高，仅江浙一省的岁粮总数就占了全国岁粮总数的三分之一强。少数民族地区农业生产也有很大的发展，当时北至怯绿连河（克鲁伦河）、乞里吉思、谦谦州（均在今叶尼塞河上游一带），南至罗罗斯（四川南部）、乌蒙（云南昭通），均有屯田
此外，由于南方农业的发展，南道棉的产区扩大得较快。与此同时，棉花在北方陕甘一带也普遍种植。当时大半个中国，已遍植棉花。
在商业方面，也出现了繁荣的景象。元朝的大都被称为“汗八里”，当时不仅是大汗的京城，也是世界上著名的经济中心之一。从东欧、中亚，从非洲海岸，从日本、朝鲜，从南洋各地，都有商队、使团来到大都。在国内，西藏的喇嘛们每次往返均要运输许多货物，是宗教团体而兼有商队的性质；从东南沿海直航天津的海船也带来闽、广、江、浙的丝绸、瓷器和南洋的香料。大都城内流通的商品有粮食、茶、盐、酒、绸缎、珠宝等，也有单项商品集中经营的市场，如米市、铁市、皮毛市、马牛市、驼骆市、珠子市等。商业行会的组织中，有“行老”负责业务上的内外事务。
而北方的重要城市，沿着陆路交通干线，有涿州、真定、大同、太原、平阳、奉元（西安）、开封、济南等；再向北则有上都、和林、镇海等城市，集中着大批汉族和西域商人。此外肇州（黑龙江肇源西南）也是东北重要城市。在西南方面则有成都、昆明、大理等城市，使西南少数民族的经济生活也都纳入了全国的商业网。再西一直通至西藏日喀则萨迦寺一带，并和尼泊尔取得贸易联系。
沿着运河和长江，一些旧有的商业城市更蓬勃发展起来，如杭州、平江、镇江、集庆（南京）、扬州等城市是比较著名的。
此外，沿海城市有广州、泉州、福州、温州、庆元（宁波）、澉浦、上海等，其中除福州外，都是设有市舶司和提举司的对外开放的贸易港口。如泉州已成为对外贸易的第一大港，出口商品有瓷器、丝绸等，进口商品有丁香、豆蔻、胡椒、钻石、珠宝等。元人汪大渊的《岛夷志略》曾提到与泉州有往来的国家和地区近百个。
1270年（至元七年），国内商税“以银四万五千锭为额，有溢额者别作增余”，至1289年（至元二十六年），商税已增至“腹里为二十万锭，江南为二十五万锭”，共计四十五万锭。不到二十年，增长了十倍。商税的增长反映出当时商业的繁荣。
可以说，在忽必烈统治期间，元王朝实现了空前的统一，经济繁荣，社会安定，国家非常强盛。元朝的繁荣富庶我们同样可以从马可·波罗的游记中窥见一二。
忽必烈做了二十年大汗，后统治中国十五年，在位共三十五年。至元三十一年去世，享年八十岁，死后庙号世祖。
对忽必烈的评价
从上述忽必烈的文治武功而言，可以说，忽必烈是蒙古继成吉思汗后一位最伟大的帝王，尤以其统治期间（1260--1294）为蒙古的鼎盛时期，对蒙古帝国而言是一个划时代的时间。从此，蒙古人控制东亚到西亚的局面，一直到十四世纪中叶才结束。而其领土则包括亚洲及欧洲东部，疆域之广，前古未有。
《元史》对忽必烈的评价为：“其度量宏广，知人善任使，信用儒术，用能以夏变夷，立经陈纪，所以为一代之制者，规模宏远矣。”
对于这位伟大的皇帝忽必烈，身为外国人的马可·波罗又是如何评价的呢？在他的游记中，他写道：“忽必烈大汗为诸君主之大君主或皇帝”，是“人类远祖亚当（Adam）以来迄于今日世上从未见广有人民、土地、财货之强大君主”，并且认为“彼实有权被此名”。而在另一部外国人所著的《蒙古源流》中，对忽必烈的评价是“治理大国之众，平定四方之邦，四隅无苦，八方无挠，致天下井然，俾众庶均安康矣。”
而波斯史家瓦撒夫（Wassaf）说：“自我国（波斯）境达于蒙古帝国之中心，有福皇帝公道可汗驻在此处。路程相距虽有一年之远，其丰功伟业传之于外，致达吾人所居之地，其制度法律，其智慧深沈锐敏，其判断贤明，其治绩之可惊羡，据可信的证人，如著名商贾、博学旅人之言，皆优出迄今所见的伟人之上。”
可见，马可·波罗的游记和中国史家对忽必烈的评价可以相互验证，忽必烈确实是一位了不起的大汗和皇帝。
那么，忽必烈大汗是不是真的“实有权而被此名呢？”我们认为，马可·波罗的评价是不无道理的。当时的元王朝实现了空前的统一，经济繁荣，社会安定，国家非常强盛。更为重要的是，元帝国还是一个开放的国家，对于来华的外国人持欢迎的态度，甚至还给予一定的优待。马可·波罗来到中国受到忽必烈大汗的喜欢和器重，自称多次被派遣出使各地。这一方面使他对大汗产生崇敬和爱戴之情，另一方面也使他有机会亲眼目睹帝国疆域之广大和社会之繁荣。在与他游历所经的欧洲、西亚等各国的对比之下，产生忽必烈大汗为“今日世上从未见广有人民、土地、财货之强大君主”的想法。
再从马可·波罗所居住和认识的西方世界来看：意大利各城市分立，且常有纠纷。马可·波罗回到故乡威尼斯时，在一次与热那亚城市海战时竟战败被俘。他的《游记》是在狱中口述，为另一囚犯所记的。罗马教皇名义上是西欧共主，实际上毫无威信，欧洲各国纷争不已，与大一统的元帝国有天壤之别。因此马可·波罗赞扬忽必烈大汗的话一点也不为过。
