弃城逃走，大理城陷。忽必烈派大将也古和霸突鲁追击高祥，斩于姚州。和侵掠南宋的两次战争。
忽必烈从青年时代就已结识中原文士，熟悉中原汉地的情况。1251年蒙哥即位后。忽必烈受命治理汉地，在以后十年间。继续聚集流落的儒生和地方军阀的门客，在他周围组成一个幕僚集团。1252年，宋军攻打河南边地。忽必烈请准蒙哥在河南设经略司，任命蒙哥、史天泽、杨惟中、赵璧为经略使。1253年，蒙哥分赏诸王，忽必烈得到京兆封地。忽必烈建立京兆宣抚司。
1254年夏天。忽必烈驻六盘山。1256年，忽必烈又增受怀孟州封地。其后遭受贬谪，忽必烈势力的发展，引起蒙哥的疑忌。1257年，蒙哥命阿蓝答儿等在关中设钩考局。查核京兆、河南财赋。阿蓝答儿等从河南经略司、京兆宣抚司的官员中，罗织一百余条罪状，旨在除灭忽必烈所信用的官员，削弱他的势力。这年十二月，又亲自去朝见蒙哥。蒙哥见忽必烈来朝，相对泣下，要他不必再作表白。1260年，忽必烈派幕僚覃澄为怀孟路总管。
蒙哥汗去世了，遗留下三个弟弟：忽必烈、旭烈兀和阿里不哥，忽必烈成为未来蒙古帝国的大汗。旭烈兀自1256年成为波斯汗后，由于远离蒙古高原，而没有要求继承大汗位。剩下的只有忽必烈和阿里不哥。阿里不哥作为幼子，已经成为蒙古汗国本土上的统治者，并在蒙古都城哈拉和林扎营。作为蒙古地区的统治者，他准备在蒙古召开库里勒台，以确保他被举为大汗。而忽必烈抢在他之前行动。他率军从武昌北上，在中原的开平上都府，位于今察哈尔和热河之间的多伦诺尔附近，建大本营，早些时候，他只是在这儿建起了他的夏季驻地。1260年6月4日，他在此被他的党羽，即他的军队，拥立为大汗，当时他44岁。
按成吉思汗的法律，这次仓卒的选举是非正式的。按传统，库里勒台应该在蒙古召开，会前应召集成吉思汗的四个兀鲁思的代表们出席。阿里不哥在蒙哥的丞相、克烈部聂思托里安、教徒学鲁合的支持下，也毫不踌躇地在和林悟取大汗称号。在汉地，控制着陕西和四川的蒙军将领们倾向于阿里不哥一边，但忽必烈不久就把这两个省的军队争取到他一边。忽必烈的副将们在甘州东部，在今天的甘肃境内，打败了阿里不哥军，这次胜利巩固了忽必烈在对蒙古统治下的大理、西夏、吐蕃、金朝、南宋的所有权。忽必烈把他的优势兵力向大蒙古汗国本土推进，他于1260年年底，在哈拉和林以南的翁金河畔度冬；而阿里不哥朝叶尼塞河上游撤退。接着忽必烈错误地设想战争已经结束，在和林留一支普通军队后，回到中国。
1261年年底，阿里不哥卷土重来，驱逐了这支驻军。并进军迎战忽必烈。在戈壁边境上打了两仗。第一仗忽必烈获胜，然而；他再次错误地没有追击阿里不哥，10天后鲁忽，阿里不哥曾帮助阿鲁忽从其堂兄妻、兀鲁忽乃手中夺得察合台兀鲁思。由于这一支持，阿里不哥的势力与忽必烈的势力相匹敌，直到将近1262年年底。阿鲁忽背弃阿里不哥投靠忽必烈。这一出人意料的背叛改变了形势。当忽必烈赶走了阿里不哥的人，重新占领和林时，阿里不哥被迫在伊犁河流域与阿鲁忽作战。阿里不哥被两军拑住，最后于1264年投降忽必烈。忽必烈为了笼络人心，没有杀他，但是，处死了阿里不哥的主要支持者，包括聂思托里安教丞相孛鲁合。为谨慎起见，他把阿里不哥作为重要俘虏囚禁起来。直到1266年阿里不哥去世。
趁着忽必烈和阿里不哥的内战，西北地区的钦察汗国、察合台汗国、窝阔台汗国纷纷自立，此时常在西亚进行西征的旭烈兀也准备自帝一方，不论忽必烈还是阿里不哥都只得到一部分宗王支持，没有召开元太祖成吉思汗四子嫡系后裔参加的大忽里台，忽必烈不被广泛承认，于是，忽必烈将大汗在西亚的直辖地。也就是阿姆河以西直到埃及边境，封给旭烈兀换取旭烈兀的支持。旭烈兀建立伊儿汗国，其实旭烈兀留在西亚忽必烈也没办法，但忽必烈给了旭烈兀统治的合法性。忽必烈将大汗在中亚的直辖地，阿尔泰山以西直到阿姆河的农耕和城郭地区，封给察合台汗阿鲁忽换取阿鲁忽的支持。而钦察汗国早在元定宗贵由和元宪宗蒙哥统治时期已经取得实际上基本独立的地位。因为大蒙古国，也就是蒙古帝国的分裂。忽必烈实际管辖的政治版图仅止中原地区、东北地区，包括整个黑龙江流域、吐蕃地区，包括今青海、西藏等地、蒙古草原全境，西伯利亚南部地区以及今新疆东半部。
自从1206年成吉思汗建国以来，以族名为国名。称大蒙古国，而没有象北魏和辽、夏、金那样建立国号。忽必烈称汗后，建年号“中统”，但也没有另立国名。1271年11月，在建国十多年之后，他的统治地位已经逐渐巩固时，才正式建国号为“大元”。下诏说：“顷者耆宿，指子聪等人，到达朝廷，奏章申请，谓既成于大业，宜早定于鸿名”，“可建国号曰大元，盖取《易经》“大哉乾元”之义”。忽必烈依据汉族的古代文献《易经》，改建国号为“大元”，这就表明他所统治的国家，已不只是属于蒙古一个民族，而是中原封建王朝的继续。
忽必烈建开平，成为称汗建国的基地。但忽必烈已将中原地区作为他的立国基础，开平显然不适于作为国家的都城。1263年五月，忽必烈升开平为上都，作为驻夏的纳钵。1264年八月，又下诏燕京，也就是金中都，金亡后称燕京，仍改名为中都，作建都的准备。忽必烈建立“大元”国号后，1272年二月，采刘秉忠议，改中都为大都，宣布在此建都。1273年，大都宫殿建成。次年正月元旦，忽必烈在正殿接受朝贺。
元朝从此即定都在大都，也就是今天的北京市。大都代替和林，成为元朝多民族国家的政治中心。至此以后，明、清两代，北京一直是国家的首都。元大都的修建，影响是深远的。
忽必烈在晚年遭遇了一连串打击。他最钟爱的妻子察必于1281年先他去世。五年之后，他最喜爱的儿子真金，也是他亲自选定的皇位继承人，英年早逝。或许由于这些个人悲剧的刺激，他开始酗酒，并且毫无节制地暴饮暴食。他的体重迅速增加，越来越肥胖，并被因酗酒而引起的疾病折磨得痛苦不堪。与此同时，他的一些政策也遭到了失败，至公元1294年2月18日（元至元三十一年正月二十二日），忽必烈病逝。
元顺帝妥欢贴睦尔头脑发热，想改变年号的事，很快就传到了朝廷里台官的耳朵中，他们听了就觉得荒唐可笑，不禁交头接耳。议论不休。监察御史监察官李好文，是朝廷文官，文章写得极为出色，他立即起草一份报告，他在报告中大意是说，年号依照过去的旧年号。从古到今都没有听说过，况且不过是沿袭过去的虚名，并没有推行解决现实问题的实际政策，恐怕也于事无补，毫无益处。
李好文，字惟中，号河滨渔者，大名之东明人。登至治元年进士第，授大名路浚州判官。入为翰林国史院编修官、国子助教。他主要活动在元朝中后期。他历仕元英宗、泰定帝、明宗、文宗、宁宗、顺帝六朝。官至光禄大夫、河南行省平章政事，以翰林学士承旨一品禄终其身。综观李好文一生，他不但仕途显赫，而且著述丰富，是元朝中后期著名文人之一。
正当李好文充满信心，提笔成文，阻止改变年号的时候，外面就已经人报告他说。皇帝改元的诏旨命令，已经颁发。向全国下达了。李好文急忙到御史台省的机关里，获得一张诏书的原件，诏书命令中说：
朕我光明正大，继承了皇位，到现在已经有三年的时间了，我夙兴夜寐。居安思危，如履薄冰，敬畏上天和民众，不敢工作倦怠，荒废朝政。近年来国泰民安。风调雨顺，海内安宁，朕我正在思考着怎样修养德行，每天都敬畏上天，体恤民众，但是最近专管天文的太史提出报告说，天空中的星象发出警告，也许是朕我的德行菲薄，做得很不够的原因吧！我向来敬畏天心，对民众万分仁爱，竭尽全力施行仁政，但是为什么上天还这样警告我呢？
因此我想到消除天灾要讲究方法，最好的办法是施行善政，更改朝廷的年号纪元，这是过去祖宗的做法。元朝只有元世祖忽必烈皇帝在位的时间最为长久，他在位的时候，上天和民众都很协调，和谐友好，各种幸福好运，接踵而至。为了发扬祖宗的志向，正符合朕我的初衷，所以今天特地改元统三年，仍然为至元元年。就是为了遵照祖宗的成宪，施行宽厚的仁政诞，求得国家的吉祥，维护朝廷的统治，因此可以赦免天下的罪犯，让天下民众知晓。
李好文看完通告，不以为然，不禁哑然失笑，就转过身返回，进入他居住的寓所里，他看见刚刚起草的报告，依然摆在他的案头，字迹刚刚干透，他砚台还是sh润的，他凭着满腔热情，利用剩下的残余墨汁，新提起手中的秃笔，写出了当时的时政弊端，共有十多条，主要是与元世祖忽必烈时代相比，现在朝廷政治的得失，的确相去甚远，在文章结束的时候，李好文提出，希望皇帝陛下如果真正有发挥祖宗传统的志向，就应该采取各种有力措施，去除当前存在的时弊，那样才能称得上是发扬祖宗传统。
李好文怀着满腔热血，把稿件写成后，觉得痛快淋漓，极为爽快，他从头至尾地读了一遍，自我感觉已经言无剩意，真是妙笔生花，立即更换了文房四宝，重新用端正的楷书，把文稿重新抄写，完成后立即送入皇宫，让皇帝亲自御览。但是过了好几天，都毫无音信，李好文不禁觉得很失望，他知道精心起草的报告，大概受到皇帝的冷遇，被束之高阁，没有被采用，更没有受到应有的重视。
李好文越想越气愤，就想着出去找朋友说说话，解解闷。他就与参政许有壬，他们同在朝廷当官，是要好的知心朋友，请他见机行事，拜见皇帝，提出他们的看法。当时许有壬已经消除了过去的愤怒，撤销了假期，重新参与朝廷处理日常事务。他看见李好文来访，心里非常高兴，就在家里接待了他，他们两人就交谈了起来，自然说起了朝廷里的国家大事。
李好文对许有壬：“现在的皇帝真是糊涂，下达诏令改元，仍然恢复至元年号，这真是从古到今都没有出现过的旷古奇闻，真是好笑到了极点。我在几天前送了一份报告进去，到现在已经有十多天的时间了，却没有获得回音，难道真是那么的天真可爱，认为改了‘至元’二字，就会像过去那样，就真正成了全盛的时代，一样兴隆发达吗？”