阿里不哥在谦州休整之后，于中统二年（1261年）秋，率军突袭驻守漠北的移相哥军，占领和林，乘胜南下。忽必烈急忙调军迎战。十一月，忽必烈与阿里不哥大战于昔木土脑儿（蒙语脑儿意为湖）。两军反复较量，死伤都相当严重，双方只好退兵。由于忽必烈切断了中原汉地对漠北的物资供应，使阿里不哥陷入困境。阿里不哥派往察合台兀鲁思的阿鲁忽（察合台孙）取得汗位后，立即拒绝向他提供援助，并扣留使者，宣布倒向忽必烈。阿里不哥于第二年春天出兵西征阿鲁忽。这时忽必烈乘阿里不哥西征之机，收复和林。阿里不哥在攻占阿里订里（今新疆霍城）等地后，纵兵掳掠，终于众叛亲离，处境孤立。至元元年（1264年），阿里不哥走投无路，只得率领身边的诸王和大臣到开平，向忽必烈投降。在汗位斗争中，忽必烈由于取得了中原汉族地主的支持，掌握了中原汉族地区的人力、财力和物力，最终取得了胜利，也是蒙古贵族中主张采用汉法治理汉地一派的成功，有利于元朝的建立和巩固，是符合历史发展要求的。
中统三年（1262年）春，正当忽必烈与阿里不哥相持不下时，山东益都行省长官、江淮大都督李璮勾结执政的平间政事王文统，以降宋为外援，起兵叛乱，占据济南。正在进据和林的忽必烈，听到李璮叛乱的消息后，立即转而向南，调遣军队，处死王文统，又派右丞相史天泽到山东前线节度各路军队。李璮错误估计形势，起兵后，各地汉人军阀响应者少，而各路蒙古、汉军已向济南进逼，接受忽必烈的调度，李璮陷于孤立的境地。四月，史天泽派各路将士开河筑城，准备长期围困济南。七月，济南城破，山东之乱不到半年就被平息。李璮之乱对忽必烈影响很大，使他感到虽用汉法，但汉人不可完全信赖。为了稳定大局，忽必烈慎重处理变乱后的有关人和事，又因势利导的进行了一系列政治改革。
忽必烈中统建元后，视中原汉地为政权的重心。平定漠北与镇压李璮叛乱，排除和蒙古贵族中的保守势力和汉人军阀割据势力的干扰，适时地着手全面推行“汉法”，改革蒙古对汉地旧的统治方式。他在建元中统诏书中明确提出了“祖述变通，还在今日”，“稽列圣之洪规，讲前代之定制”，提倡“文治”的政治纲领。在中央设中书省，在各地设宣抚司，任汉人儒士为使。另外，严格执行地方兵、民分治制度，不相统属；罢诸侯世袭，行迁转法；实行易将制，使将不专兵。李璮之乱后，又迫使汉人军阀交出兵权。史天泽带头请求解除自己子弟和姻亲的兵权。北方汉族地主武装实力大大削弱。为了加强对汉人的防范，忽必烈在各级政权中都起用色目人为帮手，分掌事权和汉人官僚互相牵制。从此，色目人在政治上的实权日渐增强。中统四年（1263年），升开平为上都。中统五年（1264年）八月，又改中统为至元，燕京为中都。至元三年（1266年），忽必烈命刘秉忠在原燕京城东北营建都城宫室。至元四年（1267年），迁都到燕京。至元八年（1271年），忽必烈公开废弃“蒙古”国号，按照《易经》“大哉乾元”之意，建国号为“大元”。至元九年（1272年），忽必烈根据刘秉忠的建议，改中都为大都。元朝的建立，结束了中国历史从自五代十国以来的分裂割据局面，实现了一次新的大统一，使我国多民族国家的发展进入一个新阶段。同时标志着蒙古从一个区域性政权，转变为统治全国的统一封建政权，有利地促进了南北经济文化的发展，也使我国与西方的交流更加频繁。
马可·波罗来华
杰出的旅行家马可·波罗（1254—1324年），出身于意大利威尼斯巨商之家。其父尼可罗·马可，叔父马飞阿于1260年往东方经商，在布哈拉留居三年。巧遇旭烈兀派往忽必烈处的使臣，就随同东来，于1265年到达上都（今内蒙古多伦县西北）。尼可罗兄弟在旭烈兀使臣的引见下，朝觐了忽必烈。大汗向他们询问了西方各国情况，恳请尼可罗兄弟陪同元朝使臣科加达尔出使罗马，并修御书交给尼可罗兄弟，请转呈罗马教皇，想与罗马基督教取得联系。尼可罗兄弟接受使命，终于在1269年4月到达阿迦城（今海法北）。这时，教皇刚刚逝世，尼可罗兄弟向教皇驻阿迦城的大使报告了元朝大汗交给的使命。大使劝告他们等选出新教皇，于是，尼可罗兄弟决定先回威尼斯探亲，此时马可·波罗已15岁了。
1271年，尼可罗兄弟决定带17岁的马可·波罗去东方。他们三人到阿迦后，新教皇仍未选出，于是请驻阿迦大使转呈大汗的书信，然后离开阿迦。不久，驻阿迦的教皇大使当选为新教皇，取名格雷戈里十世。新教皇急忙派特使，寻找尼可罗兄弟一行，这时，他们还未离境，便应召，重返阿迦。新教皇用特别隆重的礼节接见了他们，并写好书信，派两位教士随同。尼可罗一家，经伊朗，越过帕米尔高原进入新疆，经甘肃、宁夏，历经三年半的艰辛于元至元十二年（1275年）夏到达上都。忽必烈表示欢迎。尼可罗兄弟详细汇报了他们的出使经过，呈上新教皇的书信礼品。忽必烈十分高兴，下令将马可的名字列入元朝侍从名册，并将波罗一家留居朝中任职。
马可·波罗聪明好学，很快学会了中国的语言、礼仪、风俗、骑射，并且精通四种文字，能够流利地读书和写作，深得大汗器重。多次奉命出使，执行机密使命。由于马可的才能和谦虚谨慎的精神，总是把事情办得十分妥善。他还十分留心所到之地的风俗民情和奇闻轶事，认真搜集采访，详细记录，回朝后向大汗汇报，博得了大汗信任。
马可的足迹遍及中国各地。他曾受命穿行山西、陕西、越秦岭到四川、经过川、藏边区少数民族聚居地区，渡过金沙江到云南昆明直至缅甸的北部去执行任务。他自称曾在扬州做过三年官。到过淮安、宝应、高邮、泰州、南京、镇江、常州、苏州、杭州、九江、福州、泉州等地。他还出使过南洋，到过越南、爪哇、新加坡、苏门答腊、泰国、菲律宾、斯里兰卡、印度等地。他每到一地都收集当地风情，并不辞劳苦分门别类地记录下来。
马可·波罗一家在中国旅居了17年。他们思念故国，很想早日衣锦还乡。只因忽必烈不允，未能如愿。适逢至元二十六年（1289年）伊儿汗国阿鲁王妃去世，阿鲁浑派三名使臣到元求婚。忽必烈选中蒙古公主阔阔真为伊儿汗国王妃，准备从海道送往伊儿汗国。马可一家争取到护送阔阔公主到波斯的使命，准备顺道回乡。至元二十八年（1291年）年初，他们带着大汗致教皇、法兰西、西班牙王的信和公主及随从六百余人乘大船从福建泉州出发，在海上航行两年多到达波斯，完成了护进使命。波罗一家继续西行，1295年冬回到了威尼斯。
1298年威尼斯和热那亚城发生战争。马可出资装备了一艘战舰，亲任舰长。九月七日威尼斯舰队全军覆没，马可不幸被俘。在热那亚监狱里，他把自己在东方的见闻向同狱难友比萨作家鲁思梯谦口述。鲁思梯谦记录下来，于1298年整理成《马可·波罗游记》，也称《东方见闻录》。
《游记》叙述了中亚、西亚、东南亚，重点是中国的情况。书中盛赞东方之富庶，文物之昌明，大大开阔了中世纪欧洲人的视野，激起了哥伦布等人冒险的决心。此书在中世纪一直是欧洲人了解亚洲和中国的主要依据。对中西交通史，中意关系史等方面有很重要的历史价值。
郭守敬修授时历
郭守敬，字若思，是顺德路邢台（今属河北）人。他祖父郭荣熟悉五经，精通数学与水利。当时正好有刘秉忠、张文谦、张易与王恂等人，一起在滋州西部紫金山学习，郭荣就让郭守敬去跟刘秉忠学习。
中统三年（1262）时，张文谦向朝廷推荐郭守敬是位擅长水利工程的人才，并且思想灵巧，胜过平常人。元世祖忽必烈命他进见时，他当面陈述了应该兴办的六项水利事业。
每奏报一项，皇帝总是赞赏道：“像这样去办事的人，方才不是白吃饭的。”于是派他担任提举诸路河渠的官职。中统四年，升任佩银符副河渠使。
至元元年，郭守敬随从张文谦去到已改为行省的前代西夏国地方去任职。那里的中兴州本来有两处古代的河渠。一条名唐来渠，长400里；另一条名汉延渠，长250里。其它各州还有正渠十条，都长200里；大大小小的支渠有68条。一共灌溉着九万余顷的土地。发生战乱以来，渠道废坏，河也淤积了。郭守敬修复了水坝水闸，整治了河身，恢复了原状。
至元二年，郭守敬升任都水监。他上奏说：“从中兴州乘船沿黄河而行，四昼夜可抵达东胜。这一段能够开辟水运，应该加以修治。”又说：“金朝时，从燕京西面的麻峪村，引卢沟河一条支流穿过西山向西，叫做金口河。它灌溉着金口以东、燕京以北的一大片土地，利益是极大的。自从进军燕京以来，守卫人员惧怕发生失误，用大石块将它填塞了。现在如查察原有河道，仍使水道畅流，上游段可把西山的货物运出来，下游段可以沟通燕京的水运。”他又道：“还应该在金口西面预先开挖一条分水渠，从西南方回归到主流道，要深一些和宽一些，以防涨水时洪水冲入京师。”皇帝认为都是很好的意见。至元十二年，伯颜丞相进军南宋，需要设立水路驿站，派郭守敬去视察河北、山东一带可以行船的河道，绘图上报。
至元二十八年，朝廷派郭守敬去视察。他回来汇报道，滦河不能通行，沪沟河亦不能通舟。他就此陈报关于水利的十一项工作。其中之一为，大都城的运粮河，可不再采用一亩泉原有的水源，另外开引北山白浮泉的水，先向西行，再折而向南，通过瓮山泊，从西水门流入城内，汇集于积水潭。然后再往东，转向南面出南水门，使它流入原有的运粮河。每隔一里设置一道水闸，通往通州共设水闸七道。离闸一里余，再加设斗门，配合作开闭，以便调整河水而通船。皇帝看了奏章，应该赶快就办。就此又重新设立了都水监机构，使郭守敬为主管。皇帝命令，开工时自丞相以下百官，带头参加劳作。
至元三十年，皇帝从上都回朝，路过积水潭，只见船头接连船尾，把水面都遮没了。他大为高兴，把它起名为通惠河，赐给郭守敬钱钞12500贯，仍任太史令，兼任提调通惠河漕运事。这件事并没有实现。至元三十一年，他被任命为昭文馆大学士，知太史院事。
大德七年，朝廷下诏书，内外官员年纪到了70岁的，都可退休，唯独没有同意郭守敬的请求。从此以后，翰林、太史、司天官员都不退休，成为一项规定。延祐三年（1316），郭守敬86岁时去世了。
元朝初年采用大明历。大明历是祖冲之在南朝刘宋大明六年（462年）制成的，所以称为“大明历”；又因这个历法以甲子为历元，所以也称为“甲子元历”。这是当时比较精密的一种历法。但是随着社会的进步和科学的发展，人们对历法提出了越来越精密的要求，加上大明历沿用多年，在当时出现了很明显的误差。于是，工部郎中刘秉忠首先上书元世祖请求修订新历。
至元十三年（1276年），元军完全占领江南以后，元世祖决定设立太史局，进行修订新历的工作。这时，刘秉忠已去世，郭守敬调任工部郎中，主持修订历法。他向元世祖建议：在修订新历之前，应该进行一次大规模的天象观测。根据测验结果制订出来的历法，才是比较准确的。元世祖任命郭守敬和王恂率领南北日官（观测天象的官员）进行观测和推算工作。
在观测天象的工作中，首先需要解决的是仪表问题。当时所有的仪表都是从宋朝遗留下来的，仪表上的规环和零件已经不能使用。其中主要的一种仪器——铜浑仪，因为从汴京移到大都，两地的纬度不同，须移动四度，方合观测之用。而且表石也因年代久，倾斜得不能再用。郭守敬一面修复了旧的仪表，一面着手创制了一套新的仪表。至元十六年（1279年）太史局扩建为太史院，王恂任太史令，郭守敬任同知太史院事。郭守敬把新仪表的图样绘成以后，献给元世祖，并为元世祖讲解新仪表的构造和功能，元世祖当时立即批准了创制新仪表的计划。郭守敬创制的新仪表有：简仪、高表、侯极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、论理仪、景符、几、日月食仪、星晷定时仪等12种。为了方便去各地观测人员的使用，又创制“正方案”、“丸表”、“悬正仪”和“座正仪”等四种仪表。此外，还制作了“仰规覆矩图”、“异方浑盖图”、“日出入永短图”等五个可同仪表相互参考使用的图。
仪表的问题解决后，郭守敬和王恂率领南北日官开始在全国范围内进行大规模的天文观测。首先在大都设立了司天台，并在上都、洛阳等五地分置天文仪表和观测天象的监候官。然后又从南北日官中挑选和培养了一批掌握观测技术的人，携带着郭守敬设计的正方案、丸表、悬正仪和座正仪等四种新制仪象，到达指定的地点进行观测。其观测的范围“东至高丽，西及滇池，南逾朱崖，北尽铁勒，四海测验，凡二十七所”。这样的观测规模，不仅超过了唐代一行和南宫说所领导的那一次，而且在世界天文学史上，也算得上一次少有的天文观测。
郭守敬和太史院的其他负责人根据这次观测得到的材料，加以精密计算，先后经过两年时间，到至元十七年（1280年），终于完成了《授时历》，这一名称取自“敬授民时”，就是推动农耕事业的意思。六月，元朝政府公布天下，订于第二年——至元十八年（1281年）正月初一日颁行授时历。
至元十九年（1282年）太史令王恂去世。郭守敬承担起太史院的全部工作，同时将未定稿的一部分有关的历书进行整理和抄写，陆续完成了《推步》七卷、《立成》二卷、《历议拟搞》三卷、《转神选择》二卷等著作。至元二十三年（1286年），郭守敬受任为太史令，将上述著作献给元朝政府。为了在民间普及授时历的知识，名副其实地做到授民以实，郭守敬还编制了各种通俗易懂的歌诀与歌括，对《授时历》的推行有重要作用。《授时历》是我国历史上一部精确的历法，对后世有重大影响。
帝师制度
帝师制度是元朝建立的一种独特的僧官制度。早在元太宗窝阔台时期，蒙古皇室已对藏传佛教各教派有所了解。贵由汗二年（1247年），阔端写信邀请萨迦派高僧萨班·贡噶坚赞至今甘肃武威相见，萨班之侄八思巴随伯父同往。不久，西藏地方僧俗势力在萨班的号召下归顺蒙古皇室，萨迦派因此独受倚重。蒙哥汗三年（1253年）忽必烈闻八思巴之名，召置左右，从受佛戒。元中统元年（1260年）忽必烈即蒙古大汗位。同年，设总制院（后改称宣政院），负责管理全国佛教及藏族地区事务，封自幼生长于蒙古宫廷的藏传佛教萨迦派高僧八思巴为国师，命其领总制院事。至元六年（1269年），八思巴献上他所创制的蒙古新字（即八思巴文），忽必烈将其颁行全国。第二年，升八思巴号为“帝师大宝法王”，赐玉印。从此帝师一职的设置终元之世而未改。