忽必烈为了增强自己的力量，依靠、利用汉族地主武装，起用一批汉族官僚，终于在争夺大汗的斗争中，获得了胜利。1264年，他迁都燕京（今北京市）。1271年正式定国号为“元”，改称燕京为大都。后世称他为“元世祖”。
忽必烈在北方稳定了自己的统治，又经过了几年的准备，便大举进攻南宋。在元军的进攻面前，南宋的军队一触即溃，各地大小官僚多半望风迎降，只有姜才、李庭芝、张世杰、陆秀夫、文天祥等少数文武大臣，领导江南人民进行了誓死不屈的反抗斗争。1279年，南宋灭亡，元统一了全中国。
忽必烈不仅是一位出色的军事统帅，而且也是一位有魄力的政治改革家。在建立了元朝以后，他的政权承袭了宋、金以来中国封建政权组织的全部体制，并根据当时的需要加以变化、发展，对以后明、清两代有相当的影响。忽必烈废除了蒙古族地方长官的世袭制度，整顿了地方豪强的混乱统治，对蒙古诸王在封地内的专擅行为，也进行了某些限制。此外，他还采取了一系列保护和恢复农业生产的政策，并先后组织人力开凿了会通河（今山东省东平县至临清市的运河）和通惠河（自大都至通州）。这些措施，对安定久经战乱后的社会秩序和发展生产、繁荣经济来说，起了一定的积极作用。