蒙哥汗在位時，受命總理漠南漢地軍事 ，後受封於京兆。
在此期間招攬漢族儒士，整飭軍政，並參與蒙哥遠征大理、圍攻南宋的戰役。
蒙哥死後，忽必烈自前線回師，與同母弟阿里不哥爭奪汗位，並即汗位於開平城，建元中統。
至元八年（1271年），改國號為大元，翌年正式遷都大都。
至元十一年（1274年），命伯顏等大舉伐宋，兩年後攻陷宋都臨安，最終於崖山海戰消滅南宋殘餘勢力，完成了全中國的大一統。
他相繼重用阿合馬、盧世榮及桑哥專理財政。
同時接連派兵遠征日本及東南亞各國，然多以失敗告終。
但他抗擊海都等西北諸王的侵擾和平服東北諸王叛亂的活動，仍是較為成功的。
至元三十一年（1294年），忽必烈病逝，享年八十歲，諡號聖德神功文武皇帝，廟號世祖。
忽必烈是少數能重視漢文化，推崇儒術的蒙古統治者之一。
其在位期間，建立了包括行省制在內的各項制度，加強對邊疆的控制，注重農桑，倡辦學校，使社會經濟得以恢復、發展。
但其頻繁的對外征戰，以及對大量蒙古舊制的保留，束縛了生產力的發展，加劇了社會矛盾，對元朝後來的發展影響深遠。
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“元之初入中國，震盪飄突，惟以殺伐攻虜為事，不知法度紀綱為何物，其去突厥、回紇者無幾。及世祖興，始延攬姚樞、竇默、劉秉忠、許衡之徒，以漢法治中夏，變夷為華，立綱陳紀，遂乃併吞東南，中外一統。加以享國長久，垂統創業，軼遼、金而媲漢、唐，赫矣哉。且其天性寬宏，包帡無外。阿里不哥及海都、篤哇諸王，皆親犯乘輿。對壘血戰，力屈勢窮，一朝歸命，則皆以太祖子孫，大朝會於上都，恩禮宴賚如初。當南北鋒焰血戰之餘，或離間以侍郎張天悅通宋而不信。敕南儒被掠賣為奴者，官贖為民。所獲宋商、宋諜私入境者，皆縱遣之而不誅。置榷場於樊城，通宋互市，弛沿邊軍器之禁。其長駕遠馭如是。宋幼主母子至通州，命大宴十日，小宴十日，然後赴上都。除弘吉剌皇后厚待之事別詳《皇后傳》外，其母子在江南莊田，聽為世業。其後文宗時市故全太后田為大承天寺永業，市故瀛國公田為大翔龍寺永業，直至順帝末，始奪和尚趙完普之田歸官，直與元相終始。宋之宗室如福王與芮等，隨宋主來歸，授平原郡公，其家貲在江南者，取至京賜之。此外宗室多類此。即奸民冒稱趙氏作亂者，從不以累及宋後，其優禮亡國也如是。思創業艱難，移漠北和林青草叢植殿隅，俾後世無忘草地。又留所御裘帶於大安閣以示子孫。武宗至大中嘗詣閣中發故篋閱之，則皆大練之服。西域賈胡屢獻牙忽大珠，價值數萬而不受。宮闈肅穆，無豔寵奇聞。至元八年，平灤路昌黎縣民生男，夜中有光，或奏請除之，帝曰：“何幸天生一好人，奈何反生妒忌。”命有司加恩養。伯顏伐宋，諄諄命以曹彬取江南不戮一人為法。其儉慈也又如是，非命世天縱而何？惟功利之習不能自勝於中，故日本、爪哇之師遠覆於海島，王、阿、桑、盧掊克之臣相仍於覆轍，蓋質有餘而學不足歟。”
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“洪惟世祖皇帝仁孝英明，睿謀果斷。爰從潛邸，有志斯民，植根幹而佐理皇綱，聘耆德而講明治道。始平大理，再駕長江，過化存神，有征無戰。迨其龍飛灤水，鼎定大都，革弊政以維新，擴同仁而一視。規模宏遠，朝野清明。內則肇建宗祧，創設臺省，修舉政令，登崇俊良；外則整治師徒，申嚴邊將，布揚威德，柔服蠻荒。加以聖無不通，明靡不燭，守之以勤儉樸素，養之以慈惠雍和。收攬權綱，綜核名實，賞罰公而不濫，號令出以惟行。萬匯連茹，群雄入彀，削平下土，統正中邦。慕義向風，聲教實朔南之暨；梯山航海，職貢無遐邇之殊。方且開學校而勸農桑，考制度而興禮樂。國號體乾坤之統，書畫煥奎壁之文。罄所有而酬戰功，不待計而救民乏。聽言擇善，明德緩刑。欽福錫民，遇災知懼。得《洪範》惟皇之理，過周宣修政之勤。以致時和歲豐，民安吏職。蓋帝德克周於廣運，故至公均被以無方。可謂文致太平，武定亂略，繼一祖四宗之志，兼三皇五帝之功。”
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在奪取政權以後，忽必烈確立了“內立諸衛，屯田閱武，居重御輕”的方針，對蒙古汗國時期在中原推行的游牧分封領地制度進行了一系列重大改革。
首先，他即位之後，改變蒙古軍分為兩翼、由萬戶長而下一統到底的制度，改變由都元帥節制探馬赤軍和漢軍的制度，設樞密院掌管全國軍政，加強了中央集權。
其次，他花費三十多年時間，一邊建立以漢人為主的侍衛親軍，同時以蒙古軍“分屯大河南北，以餘丁編立部伍，絕其虜掠之患” ，“遇征伐則遣之”，逐步確立了中央宿衛軍（侍衛親軍）和地方鎮戍軍兩大系統，作為保衛元朝中央統治政權的重要核心武裝力量。
第三，為了防止漢軍世侯擁兵自重，他改變漢軍由私家掌握的狀況，或令漢軍世侯易軍為將，或令漢軍世侯改任民官。
對蒙古軍的軍官世襲制（怯薛軍）也進行了改革，核心職位仍可世襲，但軍隊因調動分合而不再始終為某一家族所掌。第四，他為適應戰爭形勢的變化，提倡使用鐵火炮等新式武器，發展進攻型的、獨立的水軍和炮軍，實施多兵種協同作戰。
他還注意用南宋降將訓練軍隊，學習南宋在軍訓方面的長處。第五，他在全國範圍內推廣軍屯制度，以促進生產的恢復和發展，推動對邊疆地區的開發，保證軍隊資糧的供應。
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忽必烈即位後，基本上採納了劉秉忠、許衡等人的建議，逐步實行了“漢法”，基本上沿襲了金、宋的舊制，但同時也對蒙古“舊俗”進行改造。
至元四年（1267年），忽必烈下令建造太廟並且製作祭奠祖先所需的祖宗牌位，而且他選定了國家的歷法，這是農業社會統治者必不可少的工作。
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