公元1259年蒙哥去世后，阿里不哥想要夺位，忽必烈听到后立马回来，于1260年三月在开平召开诸侯王会议，然后登帝。
但此时却出现内乱，阿里不哥叛乱，很多蒙哥宗王不服忽必烈，忽必烈只得平叛。五年后，阿里不哥投降。
虽然巩固了叛乱，但蒙古帝国却也被分割成中原的元朝和察合台汗国、伊利汗国和钦察汗国。登位后的忽必烈强行在帝国推行汉人之法，如模仿汉族政权，建立国家机构和中央官制，设中书省和枢密院等等，有效维护了政权；在经济上恢复发展农业，劝课农桑，开荒屯田水利等，特别是禁止蒙古军队占领田地妨碍农时；文化上推崇儒学，实行汉化政策，科举制等。推进蒙古向封建的转变，但众多的蒙古王公大臣却反对，指责其违背祖制。
其实在忽必烈还是藩王的时候就已经接触中原文化，在他的王府中有大批以汉族为主的知识分子，这些是忽必烈的幕僚，如姚枢。姚枢等为忽必烈讲述儒家治国平天下之道；刘秉忠善于出谋划策也被重用，提出治乱之道应顺民心然后取天下，却不可治天下，主张改革当时的弊政，得到忽必烈的认可。蒙哥即位后就让忽必烈总管漠南汉地之事，忽必烈大力改革，使得关中民风民情大为改观。从治地到征伐，忽必烈经历了太多的风风雨雨，也铸就了他的帝业。
公元1271年，忽必烈取《易经》当中的“大哉乾元”之意，正式建立元朝，一年后迁都大都，上都为陪都，之后继续推行汉法任用汉人，此时的忽必烈还有一件重要的事要去做，那就是灭掉南宋，真正的统一全国。
忽必烈采用汉族将领史天泽、刘整等人意见，公元1272年攻下樊城，襄阳守将吕文焕投降，公元1276年2月4日，攻入临安，宋恭宗奉上传国玉玺和降表，南宋灭亡，公元1279年，宋朝残余势力也被消灭。忽必烈继成吉思汗等几代君王的愿景，一统华夏。
忽必烈还加强了对西藏的管辖，西藏成为元朝的正式行政区域；同时设澎湖巡检司管辖澎湖和琉球，也就是今天的台湾。其意义非凡，对中华民族的发展影响至深，对中国版图的巩固与扩展作出了伟大的贡献。忽必烈继承其祖先伟业，将蒙古帝国推向顶峰。在位期间重用汉臣，开辟交通加强对疆域的管理，建立驿站巩固对全国的统治。马可波罗评价其：“忽必烈是真正的大君主，从亚当时代至今，世界上曾有过的统治着人民、土地和财富的最强大的君主。”
可惜忽必烈虽然强大，其后代却昏庸无能，元朝没能过去一百年的寿命。