當忽必烈聽到蒙哥的死訊時，為了爭奪汗位，與南宋暫時議和，撤兵北歸。
忽必烈先回到自己的大本營開平（多倫西北）作了一番部署，然後一反傳統的選汗形式，於1260年三月在開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。最終，忽必烈憑藉著漢族貴族和一部分蒙古貴族的支持，於1264年擊敗了阿里不哥，成為蒙古第五代大汗。隨即，忽必烈改年號為至元，建都燕京，並仿照漢人預立皇太子的辦法，確定了帝位繼承人。
元朝開國後，一切政治制度和國家機關組織大半都沿襲遼、金的舊章。1272年又在燕京舊城的東北筑新城，建設宮殿衙署。命名首都為大都。此後，元朝的政治重心就完全移到中原來了。
此外，他又依照中原的傳統，採用《易經》「大哉乾元」的說法，於1271年改國號為大元，忽必烈為元世祖。
忽必烈的身世和文治武功
忽必烈是成吉思汗的孫子，拖雷的兒子。拖雷共有十一子，其中長子蒙哥、忽必烈及阿里不哥為同母兄弟。
據說忽必烈容貌亦非同常人。關於忽必烈的容貌，我們可從馬可．波羅的遊記中略知一二。馬可．波羅的記述如下：「大汗風度翩翩，看起來讓人心生好感」，「不長不短，中等身材，筋肉四肢配置適宜，面上朱白分明，眼黑鼻正」。
從才智上說，忽必烈也有其過人之處。他知人善任，信用儒術，立經陳紀，規模宏遠。年輕時常和漢人接觸，因而對中國歷史文化頗有心得。尤其唐太宗更成為他崇拜的對象，並且延攬大批中原漢人去加以仿效。
公元1251年，蒙哥即可汗位後，因為忽必烈對漢地情形最為熟悉，便把南方漢地交給忽必烈管理。忽必烈在金蓮川設置幕府，積極網羅人材，來規劃和執行重建漢地的工作，並實行寬大政治，改善了漢地紛亂不治的情況，足見其才智非同一般。
1275年，忽必烈派兵再次南下征宋。1279年，南宋王朝滅亡。至此，忽必烈不僅是大蒙古帝國可汗，而且是中國的大皇帝，更以後者為「實」，前者為「名」。
忽必烈的文治武功主要表現在：
一、對外的武力擴張。蒙古是個好戰的民族，軍事的擴張幾乎永無止境。他們自認為代表上帝的旨意，征服和懲罰那些不服從他們的罪人，具有統治世界的野心。忽必烈少時即征戰各地，建立大元帝國後更繼續擴大軍事規模： 降服高麗，兩次東征日本，四次南征安南，五次南征緬甸與八百媳婦，對東海與南洋群島用兵等。
其中遠征日本的出師不利，也產生了著名的日本「神風」傳說。日本兩次將忽必烈的來使斬首，又兩次使其遠征失敗，本想藉第三次遠征維持其聲望，但最終卻因大臣的勸阻及征伐安南而將所有的準備放棄。此外，征戰安南歷時34年，結果卻是損兵折將，除獲一個藩屬外，可說是得不償失；對八百媳婦一隅之地也始終不曾征服。忽必烈對外的武力發展，在並非一帆風順的情況下，逐步走向一個飽和點。
二、開國建制。蒙古大帝國的完成以及元朝一切開國規模與各項政治制度，都是在元世祖的時候，所以元世祖屬於元朝開國建制時期。由於受大臣姚樞的影響，元世祖相當仰慕漢人的文物教化，其延攬了大批包括竇默、許衡、劉秉忠、王文統、張文謙的漢儒，而訂定出一套中國型的政治制度。包括：
１．定年號與國號。由元世祖即位開平的元年，開始定年號為中統元年。而國號則是採納劉忠秉的建議，名為大元。過去歷代都由當初封邑之名為國號，而其以易經中「大哉乾元」的文義命名，也說明瞭蒙受統治者接受中國的文化傳統後，竟以承繼唐堯虞舜之緒而自居。
２．建都邑，繼續推行仿唐、宋制度建立的政治體系。公元1272年，元世祖正式以燕京為大都、開平為上都。又蓋上都為夏都，大都為冬都，皇帝春夏在夏都，秋冬在冬都。所以在地理上而言，大都是控制中國大本土的政治中心，而上都則是負責控制北方蒙古本土。
蒙哥統治時期，蒙古帝國仿照唐、宋制度建立了各個政權機構，在首都設立了六部，並將中央權力分成行政、軍事、監察三大部分。同時還仿照金人作法由樞密院直接主管所轄各省。忽必烈則繼續推行和完善上述政治體系。
３．隆祀典。蒙古一直以來，祭祀之禮都僅僅是割牲肉奠馬乳以蒙古的巫師祝致詞而已。到了元世祖時期開始大隆祀典，除了完成七廟之制和一切祭祀的典禮，並還追尊皇祖考妣之尊號與廟號。
４．制定文字。蒙古人本來只有語言而無文字，之後逐漸使用畏吾兒的拼音字。後來元世祖尊吐蕃僧八思巴為國師，運用吐蕃文字另造蒙古新字一千餘，又由於受了漢人影響，格式採用直書。
５．確定國教。蒙古在長期爭戰之中受了宗教影響，深刻感到要完成政治統一必須尊重宗教。所以元世祖統一中國後，對宗教採取放任的態度，而眾多教派中以佛教的喇嘛教最受崇敬。忽必烈本人對於佛道尊崇有加。在他的提倡下，全國佛寺達到4.2萬座。
６．制定曆法。元世祖一統天下便改修曆法，於至元十七年頒行「授時歷」，為唐宋以來最完善正確的曆法。之後又經多次修訂，到郭守敬修正完畢，八十幾年間不曾出錯，可謂元朝一大事。
７．制定行鈔法。社會上流行的銅錢經宋遼金至元已非常混亂，不如銀絲的簡單，所以以絲銀為本(紙鈔成為絲銀替代物)，較易維持幣值。而元世祖本意想大力奠定紙幣政策，但因百姓習慣使然而逐漸作罷。
８．水利交通。元世祖時水利交通的重要建設有二項：一為開運河，包括會通河以及通惠河的開闢，使南北運河全面開通，而江淮漕運可直達燕京；這加強了南北方的交流；一為通海運，使海運於元朝正式成為國家的漕運航路。
９．完成站赤（驛站）制度。元朝賴以統治其龐大區域，保持全國政治軍事、經濟與交通聯繫的就是"站赤制度"。蒙古人所謂的站赤制度就是驛站，在中國由來已久，但到了元朝將其加以擴充，在元世祖時終告完成。據記載，全國站赤共有1400處，這個數字還不包括邊遠地區和四大汗國間的驛站。
和驛站相鋪而行，專用以傳遞緊急文書的機構叫急遞鋪。每十里或十五里、二十五里設一鋪，每鋪置鋪丁五人。鋪丁一晝夜行四百里，用徒步奔馳，輾轉傳遞軍政機要文書。
元代的驛傳制度對當時的波斯、俄羅斯、埃及和中亞、西亞諸國都產生了影響，在俄羅斯竟沿用了數百年之久
１０．建立農社制度。元世祖即位，因其習知漢人的風土人情，乃提倡農業，定立「農社制度」。其制度相當周詳，為一種國家監督下的農民社團組織，目地為振興農田水利，亦兼有政治性的組訓作用，以與其軍政制度相配合。
三、平定叛亂，加強對邊疆的管理。海都是窩闊臺汗的孫子，對大汗位落入拖雷系一直心懷不滿。阿里不哥失敗後，他佔領窩闊臺汗國領地，於1268年（至元五年）發動叛亂。被擊敗後，他又和察合臺汗的孫子篤哇勾結在一起，騷擾火州（吐魯番高昌故城）。1287年，海都又煽動東部諸王后裔乃顏、勢都兒、哈丹等人發動叛亂。元世祖聞訊後，親率兩路大軍前往鎮壓，消滅了叛亂勢力。
元世祖在平定東北諸王叛亂後，設置了遼陽行省，並在叛王封地內置萬戶府，用以削弱藩王的權力。這時海都在西北仍不斷騷擾，1289年七月，世祖已經74歲，仍決定率兵親征。海都聞訊遠逃。世祖去世時，海都已被逐出阿爾泰山之北。 1302年，海都敗死。1306年，海都子察八兒投降，西北諸王的叛亂，至此全被平定。
忽必烈統治時期，還加強了對邊疆的管理。元朝政府在西藏設立烏斯、藏、納裡速．古魯．孫等三路宣慰使司都元帥府，有都元帥、宣撫、安撫、招討等使。烏斯即前藏，藏即後藏，納裡速．古魯．孫即阿里三部。當時把前後藏分為十三個萬戶，萬戶長以上的官吏由中央直接任命。此外，還在西藏設置驛站，調查戶口，徵收賦稅，屯戍軍隊。總之，從元朝開始，西藏地區已正式成為我國中央政府直接管轄的一個地方行政區域。
元朝還在雲南設置了行省。行省之下，還設置了路、府、州、縣。又設置若干軍民總管府。此後，雲南和內地的聯繫更加密切。此外，元朝政府在臺灣地區正式建立行政權力機構，即澎湖巡檢司。
元朝的大統一和採取的管理措施，促進了邊疆各族和中原地區經濟、文化聯繫的發展；各民族聯繫的加強，又鞏固了空前統一的國家。由於當時大量漢族被簽發到邊地去開墾，邊疆各族也大量遷入內地定居，宋、遼、西夏、金時期各少數民族偏守一隅的情況逐漸有了變化，相互間開始加強了溝通和聯繫。
此外，忽必烈還尊孔重道，任用賢才，興辦學校；勸課農桑、安恤流民。他還「復租稅，均賦役；明刑典，理獄滯」。
忽必烈統治時期的經濟繁榮
忽必烈統治時期採取的上述措施，有利的推動了經濟的發展。
在農業方面，由於貫徹了重視農桑的政策，各地的農業生產都取得了不同程度的恢復和發展。農業發展的表現，首先是水利灌溉業的發達。元初，內設都水監，外設各處河渠司，以興舉水利，修理河堤。宋、金時的水利工程，在元朝都逐步得到了恢復。王禎《農書》中介紹用於灌溉的水車就有七種，其中高轉筒車可引水到二百餘尺的高地。
其次，糧食產量也有了較大的提高。元世祖時期，陝西關中地區的小麥"盛於天下"，關、隴、陝、洛出現了"年谷豐衍，民庶康樂"的景象。長江以南地區產量更高，僅江浙一省的歲糧總數就佔了全國歲糧總數的三分之一強。少數民族地區農業生產也有很大的發展，當時北至怯綠連河（克魯倫河）、乞裡吉思、謙謙州（均在今葉尼塞河上游一帶），南至羅羅斯（四川南部）、烏蒙（雲南昭通），均有屯田
此外，由於南方農業的發展，南道棉的產區擴大得較快。與此同時，棉花在北方陝甘一帶也普遍種植。當時大半個中國，已遍植棉花。
在商業方面，也出現了繁榮的景象。元朝的大都被稱為「汗八里」，當時不僅是大汗的京城，也是世界上著名的經濟中心之一。從東歐、中亞，從非洲海岸，從日本、朝鮮，從南洋各地，都有商隊、使團來到大都。在國內，西藏的喇嘛們每次往返均要運輸許多貨物，是宗教團體而兼有商隊的性質；從東南沿海直航天津的海船也帶來閩、廣、江、浙的絲綢、瓷器和南洋的香料。大都城內流通的商品有糧食、茶、鹽、酒、綢緞、珠寶等，也有單項商品集中經營的市場，如米市、鐵市、皮毛市、馬牛市、駝駱市、珠子市等。商業行會的組織中，有「行老」負責業務上的內外事務。
而北方的重要城市，沿著陸路交通幹線，有涿州、真定、大同、太原、平陽、奉元（西安）、開封、濟南等；再向北則有上都、和林、鎮海等城市，集中著大批漢族和西域商人。此外肇州（黑龍江肇源西南）也是東北重要城市。在西南方面則有成都、昆明、大理等城市，使西南少數民族的經濟生活也都納入了全國的商業網。再西一直通至西藏日喀則薩迦寺一帶，並和尼泊爾取得貿易聯繫。
沿著運河和長江，一些舊有的商業城市更蓬勃發展起來，如杭州、平江、鎮江、集慶（南京）、揚州等城市是比較著名的。
此外，沿海城市有廣州、泉州、福州、溫州、慶元（寧波）、澉浦、上海等，其中除福州外，都是設有市舶司和提舉司的對外開放的貿易港口。如泉州已成為對外貿易的第一大港，出口商品有瓷器、絲綢等，進口商品有丁香、豆蔻、胡椒、鑽石、珠寶等。元人汪大淵的《島夷志略》曾提到與泉州有往來的國家和地區近百個。
1270年（至元七年），國內商稅「以銀四萬五千錠為額，有溢額者別作增余」，至1289年（至元二十六年），商稅已增至「腹裡為二十萬錠，江南為二十五萬錠」，共計四十五萬錠。不到二十年，增長了十倍。商稅的增長反映出當時商業的繁榮。
可以說，在忽必烈統治期間，元王朝實現了空前的統一，經濟繁榮，社會安定，國家非常強盛。元朝的繁榮富庶我們同樣可以從馬可．波羅的遊記中窺見一二。
忽必烈做了二十年大汗，後統治中國十五年，在位共三十五年。至元三十一年去世，享年八十歲，死後廟號世祖。
對忽必烈的評價
從上述忽必烈的文治武功而言，可以說，忽必烈是蒙古繼成吉思汗後一位最偉大的帝王，尤以其統治期間（1260--1294）為蒙古的鼎盛時期，對蒙古帝國而言是一個劃時代的時間。從此，蒙古人控制東亞到西亞的局面，一直到十四世紀中葉才結束。而其領土則包括亞洲及歐洲東部，疆域之廣，前古未有。
《元史》對忽必烈的評價為：「其度量宏廣，知人善任使，信用儒術，用能以夏變夷，立經陳紀，所以為一代之制者，規模宏遠矣。」
對於這位偉大的皇帝忽必烈，身為外國人的馬可．波羅又是如何評價的呢？在他的遊記中，他寫道：「忽必烈大汗為諸君主之大君主或皇帝」，是「人類遠祖亞當（Adam）以來迄於今日世上從未見廣有人民、土地、財貨之強大君主」，並且認為「彼實有權被此名」。而在另一部外國人所著的《蒙古源流》中，對忽必烈的評價是「治理大國之眾，平定四方之邦，四隅無苦，八方無撓，致天下井然，俾眾庶均安康矣。」
而波斯史家瓦撒夫（Wassaf）說：「自我國（波斯）境達於蒙古帝國之中心，有福皇帝公道可汗駐在此處。路程相距雖有一年之遠，其豐功偉業傳之於外，致達吾人所居之地，其制度法律，其智慧深瀋銳敏，其判斷賢明，其治績之可驚羨，據可信的證人，如著名商賈、博學旅人之言，皆優出迄今所見的偉人之上。」
可見，馬可．波羅的遊記和中國史家對忽必烈的評價可以相互驗證，忽必烈確實是一位了不起的大汗和皇帝。
那麼，忽必烈大汗是不是真的「實有權而被此名呢？」我們認為，馬可．波羅的評價是不無道理的。當時的元王朝實現了空前的統一，經濟繁榮，社會安定，國家非常強盛。更為重要的是，元帝國還是一個開放的國家，對於來華的外國人持歡迎的態度，甚至還給予一定的優待。馬可．波羅來到中國受到忽必烈大汗的喜歡和器重，自稱多次被派遣出使各地。這一方面使他對大汗產生崇敬和愛戴之情，另一方面也使他有機會親眼目睹帝國疆域之廣大和社會之繁榮。在與他遊歷所經的歐洲、西亞等各國的對比之下，產生忽必烈大汗為「今日世上從未見廣有人民、土地、財貨之強大君主」的想法。
再從馬可．波羅所居住和認識的西方世界來看：義大利各城市分立，且常有糾紛。馬可．波羅回到故鄉威尼斯時，在一次與熱那亞城市海戰時竟戰敗被俘。他的《遊記》是在獄中口述，為另一囚犯所記的。羅馬教皇名義上是西歐共主，實際上毫無威信，歐洲各國紛爭不已，與大一統的元帝國有天壤之別。因此馬可．波羅讚揚忽必烈大汗的話一點也不為過。
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