元朝是一个地跨欧亚、疆域广阔的帝国，中央政府设有驿站（传递公文，官员往来的路线），以保持与各地汗国的联系。这使得中原地区与海外的文化交流变得安全而便利，因而这时期中西文化的交流十分频繁，许多欧洲商人进入中国境内，甚至直达元朝的都城。在这些人中，威尼斯商人马可·波罗最为出名。
马可·波罗的父亲尼古拉、叔父马菲奥是专门做东方贸易的商人，曾在从属于元朝的钦察汗国居住过多年，后来随汗国派往朝廷的使者一起来到中原，大约在1265年到达上都（今内蒙多伦西北）。忽必烈接见了他们，并向他们了解欧洲各国的情况。忽必烈决定向罗马教廷派遣使臣，命尼古拉兄弟同行。
尼古拉兄弟于1269年到达地中海东岸的阿迦城，这时老教皇已去世，新教皇还没选出来，于是他们回到威尼斯的家中。1271年，他们带着年仅十七的再次来到阿迦城。新教皇格里戈里十世派了两名教士，随他们去见忽必烈。途中，两名教士因害怕路途艰难而不肯再走。马可·波罗他们三人却发挥不抛弃不放弃的精神，继续东行，他们沿古老的“丝绸之路”，经过叙利亚、两河流域、伊朗高原、中亚细亚，又翻越帕米尔，最后于1275年到达上都。
马可·波罗很聪明，他很快就学会了蒙古语和汉语。忽必烈也很信任器重他，曾命他去各地巡视，他因此而遍游中国各地。其间，他还在扬州做过三年官，又奉元政府的派遣出使外国，到过越南等地。
马可·波罗在中国住了十七年。后来，伊儿汗国的汗王派使向元朝皇室求婚，忽必烈选定新王妃阔阔真，并命马可·波罗和他的父亲、叔父护送，由泉州经海路前往位于波斯的伊儿汗国。他们于1292年初离开中国，经苏门答腊、印度等地到达波斯，1295年回到威尼斯。
1298年，威尼斯与热那亚发生战争，马可·波罗被俘。在监狱中，他口述自己在东方的见闻，由同监狱的比萨人鲁思梯谦记录成书，这就是举世闻名的《马可·波罗行纪》。
这本书又名《东方见闻录》，共四卷。其第一卷主要记叙来中国途中的所见所闻；第二卷叙述中国的情况，描述了中国的丰富物产和许多城市的繁华景象；第三卷记叙中国邻近国家和地区的情况；第四卷叙述了成吉思汗以后诸王的斗争。书中的记叙真实可靠，因而很有史学价值。这本书也打开了欧洲人眼界，引起了他们对东方文明的向往。其中，著名航海家哥伦布便是一名热心读者，他读过并作过批注的《马可·波罗行纪》至今还被保存在里斯本的博物馆里。欧洲的一些地理学家还根据这本书画出了最早的《世界地图》。
在马可·波罗来中国前，元朝也有不少旅行者到达了西方，其中较出名的便是成吉思汗时期的耶律楚材。耶律楚材于1219年随成吉思汗远征西域，1224年归来。1228年他写成《西游录》，书中记载了他随成吉思汗西进时沿途的地理风貌，这是研究13世纪地理的重要文献。
元成宗时，温州人周达观随团出使真腊（后称柬埔寨），则是元代由海路出访外国最著名的一例。他写的《真腊风士记》，是一本最早全面介绍柬埔寨吴哥政权时期的著作，因资料翔实可靠，而成为享有国际声誉的专著，并于1819年被译成法文。
13世纪，在阿拉伯人的书中已提到火药，他们称之为“中国雪”“中国盐”。蒙古西征时，阿拉伯人通过作战学会了使用、制造火药武器。欧洲人随后也学会了使用、制造火药武器。