宪宗元年(公元1251年),忽必烈受命总领漠南汉地军国庶事。早在藩王时期就思“大有为于天下”,并热心于学习汉文化。曾先后召僧海云(宋印简)、僧子 聪(刘秉忠)、王鹗、元好问、张德辉、张文谦、窦默等,问以儒学治道。先后任用汉人儒士整饬邢州吏治;立经略司于汴梁,整顿河南军政;屯田唐、邓等州。
蒙哥汗三年(1253)率蒙古军攻云南,四年灭大理国。九年,攻打南宋鄂州(今湖北武昌)时,得知蒙哥汗死讯,决策北还,争夺帝位。十年,在开平(今内蒙 古正蓝旗东)称汗,始建年号中统。其幼弟阿里不哥也在和林(今蒙古鄂尔浑河上游东岸哈尔和林)称汗。至元元年(1264)打败阿里不哥,后迁都燕京(今北 京),改称大都。八年定国号为元。十六年灭南宋,统一全国。又进攻日本、安南、占城、爪哇等国。在位期间,注意选用人才,采用汉法,建立各项政治制度。地 方建立行省,开创我国省制之端。劝课农桑,兴修水利,发展生产。加强对边疆地区管理,开辟中外交通,巩固和发展多民族国家。把境内民众分成四等,民族压迫 较重。
其兄蒙哥在1259年去世后,次年其弟阿里不哥在哈拉和林被选作蒙古帝国大汗,而忽必烈则在中原开平自立为大汗。于是阿里不哥与忽必烈开始争夺汗位。虽然 忽必烈在这场斗争中获胜,但西方的四大汗国则因他违背大汗选举传统以及他的“行汉法”主张而纷纷与他断绝了来往,脱离了他的统治范围。至此,他的政权只包 括中原地区、西藏和蒙古本土。
1271年,忽必烈改国号为大元,正式即位为皇帝,并开始南下攻打南宋的计划。他的军队用了六年时间攻陷重镇襄阳,但以后的进展则相当顺利。1279年,在厓山海战中,陆秀夫背着8岁的小皇帝宋帝昺跳海而死,南宋亡,忽必烈统治全中国。
忽必烈确立中央集权政治,恢复正常的统治秩序,采取一些有利于农业和手工业生产的措施,让社会经济逐步恢复和发展。从而边疆地区得到开发。全国统一,初步 奠定了国家疆域的规模,发展了国内各民族的经济文化交流。全国统一以后,忽必烈的保守、嗜利和黩武等消极因素也有了发展,采取汉法,改革落后旧制的工作陷 于停顿。
忽必烈后来亦有派遣军队进攻一些其它国家和地区,其中以入侵日本的战事最有名,也最惨烈。元军两次进攻均以失败告终,一般认为台风(日本人称这两次风为“神风”)是造成失败的最大原因。
在位三十五年。至元三十一年(公元1294年)病逝。年80岁。有子11人。谥圣德神功文武皇帝,庙号世祖。
1260年3月,忽必烈在部分诸王的推戴下,即汗位于开平,建元中统。在中央设中书省,以王文统任平章政事,在各地分设10路宣抚司,任汉人儒士为使。同 年五月,阿里不哥也在部分留居漠北的诸王拥戴下,称大汗于和林。忽必烈以汉地丰富的人力、物力为依托,出兵击败阿里不哥。在与阿里不哥鏖战的同时,中统三 年(1262)春,益都行省李乘机叛乱,被忽必烈迅速镇压。李的叛乱引起忽必烈对汉人的猜忌,于是采取了一系列措施,如废除汉人诸侯的世袭制度,削弱这些 家族的军权,在地方上实行军民分治等等,一方面以加强中央集权,另一方面则可严密对汉人的防范。此外,又在各级政权中引用色目人分掌事权,使与汉人官僚相 互牵制。中统五年八月,忽必烈又改元为至元。经过从中统元年到至元初年的增改损益,新王朝的各种制度大体上确立下来。至元八年(1271),取《易经》 “大哉乾元”之义,建国号为大元。次年,确定以大都为首都。中央集权政治的重新确立,恢复了正常的统治秩序,对人民的赋役剥削限制在一定的数额之内,并采 取了一些有利于农业和手工业生产的措施,如立司农司、垦荒屯田、兴修水利、限制抑良为奴等。但是,这个政权也保留了大量的蒙古落后旧制。这些制度在元代始 终保留下来,严重地束缚了生产力的发展,使元代的社会矛盾愈益激化。同时,忽必烈又积极着手消灭南宋的战争,至元十一年,命伯颜大举伐宋。十三年,下临 安,十六年最后消灭了流亡在崖山的南宋残余势力,完成了全国的大统一。元朝是中国历史上第一个少数民族统治全国的王朝,它初步奠定了中国疆域的规模。