成吉思汗的孙子忽必烈，同他的祖父一样是一位杰出的军事统帅，也是一个出色的政治家。
自公元1241年窝阔台去世至1251年蒙哥即位，大蒙古国经过了十年的混乱时期。先是窝阔台之妻乃马真摄政，1246年他们的长子贵由继承汗位，即定宗，实际上还是乃马真主事。两年后贵由死于“西巡”途中，拖雷诸子与窝阔台的子孙们展开了激烈的汗位争夺战，直到蒙哥汗登上大汗之位。
拖雷和妻子唆鲁忽帖尼有四个儿子：蒙哥汗、忽必烈、旭烈兀、阿里不哥，从小就受到良好的教育和汉文化的影响——他们的母亲很有心计，从中原请来名儒贤士讲解治国之道，其中忽必烈受影响最深，渐渐悟到治理中原必须用汉文化的道理。蒙哥汗即位的当年，就任命忽必烈主持漠南地区的军政事务。在十年混乱中，当初耶律楚材的治理措施，全被废除了，中原人民重又陷入暴政之下，土地荒荒、人口流散、生产力受到极大的损害。
忽必烈主政中原后，苦心经营：选贤任能，清政去贪，劝农耕种……，逐渐理出头绪，恢复了大部分生产力，将中原治理得井井有条，控制了中国北方大量的人力和雄厚的物力。
蒙古军队在对南宋作战的初期，并不太顺利，于是决定先征吐蕃（今青海东部等地），再攻大理（今云南等地），然后包抄南宋，采用战略大迂回的战术。公元1252年六月，忽必烈率军南征大理。蒙古铁骑由北向南，不到半年时间就从今甘肃经青海、四川到达云南；先后越过大流河、大雪山、金沙江等险绝之地，完成了中国古代军事史上罕见的万里远征创举。第二年初，大理国灭亡，吐蕃也表示臣服，整个西南地区被蒙古军队控制，形成了对南宋王朝从南北两面夹攻的形势。年底，忽必烈留大将兀良合台镇守，自己返回北方。
南征的胜利和治理中原的成绩显示了忽必烈杰出的文治武功，他的声望在汉族地主阶级中日渐上升；许多豪强士绅纷纷靠拢忽必烈，愿意接受他的统治。忽必烈的周围聚集了一大批汉族文武人才，如刘秉忠、许衡、姚枢等文士，史天倪、张柔等武将。这些都为他进一步统治中原奠定了深厚的基础。
但是，忽必烈采用汉法治理中原却损害了蒙古贵族和西域商人的利益，他的声望之大也曩了蒙哥汗的威信和皇权。经一些人的挑拨，蒙哥汗对忽必烈产生了猜忌，下令解除了忽必烈的兵权并派人调查他，形势十分危急。关键时刻，忽必烈接受了姚枢的建议，不正面抗争，并且将妻子儿子送作人质，表明自己并无异图，亲自去向蒙哥汗当面解释。最终，蒙哥汗消除了疑虑，兄弟和好如初，忽必烈重新掌握了兵权。
公元1258年，蒙古大军兵分三路全面征伐南宋。
忽必烈在围攻鄂州时得知蒙哥汗死讯，同时又听说留守都城的弟弟阿里不哥正准备继承汗位，便要回军与阿里不哥争夺大汗宝座。正好，这时南宋宰相贾似道请求割地赔款求和，忽必烈顺水推舟，订下和约，迅速率军北返。
公元1260年三月，忽必烈在开平（今内蒙古多伦北）召集部分王公大臣集会，在他们的拥护下，抢先登上大汗之位。随后，阿里不哥在另一些王公大臣的拥戴下也宣布继承蒙哥汗的汗位。这样，大蒙古国同时有两个可汗，他们既是亲兄弟，又互相对立，并各有一部分皇族大臣的拥护，讲理是讲不清的，只有靠武力来解决了。经过四年的内战，忽必烈大获全胜；众叛亲离、走投无路的阿里不哥只好率残部到开平投降。
忽必烈与阿里不哥之争，是蒙古贵族统治集团内部的斗争，成吉思汗的后裔大多卷了进去。忽必烈由于掌握了中原地区的人力、物力和财力，得到汉族地主阶级的大力支持，而获得了全胜，并因此而奠定了元朝的建立和巩固的基础。
忽必烈即位之初，就颁诏指出成吉思汗创业以来的五十余年中，单凭武功，缺管文治，表示自己要大力推行汉法。他在皇权巩固之后，更全力以赴地实施用汉法治理国家。因此，他在位三十四年（公元1260—1294年），取得了非凡的业绩：
第一，镇压了内部的武装叛乱割据势力，建立和巩固了统一全国的元王朝。建元前后，忽必烈面临着如何统一中国的历史重任，他采取了一系列的正确措施，主要是推行汉法；这就遭到了蒙古旧贵族的激烈反对，并一再发动叛乱。忽必烈成功地镇压了阿里不哥、海都等叛乱的蒙古旧贵族，削平了割据山东等地方豪强，征灭了腐朽的南宋王朝，最终完成了统一大业。这是中国历史上继秦始皇和隋文帝之后的又一次大统一，对于推动我国多民族统一国家的进一步发展有着重大的历史意义。比如，他任命人思巴掌管西藏地方行政事务，结束了西藏三百年的战乱局面，促进了中国的历史进程。
第二，废弃“旧章”，推行汉法。忽必烈之前的蒙古游牧贵族落后、野蛮的统治方式，导致中国北方社会经济的破坏和衰退，并给人民带来无穷的战乱灾害。忽必烈即位之后，大力废除蒙古游牧贵族的旧制度，全面采用汉法——即承袭宋、金以来的封建政治、经济及文化制度，并在新的历史条件下加以某些改进，使上层建筑能够适应经济基础，这对于社会的安定和进步起了积极的作用。
忽必烈推行汉法的主要内容有：建立年号、国号和礼仪制度，并把都城从漠北的和林迁到中原地区的大都；建立国家机构和职官制度，确定中央的封建专制统治，如建立中书省和各行省、设立主管军务的枢密院、纠察百官的御史国子监，用汉文化教育蒙古贵族子弟，各地的学校也有了恢复甚至发展，这些都有利于中原传统文化的保存。
第三，实行重视农业生产的政策，恢复和发展社会生产力。
忽必烈即位之初，就在各地设立专门管理农业和林业的机构，鼓励开荒、兴修水利，禁止军队占用农田作牧场毁坏庄稼，重新开通了三千里长的运河。不到十年，中原地区长期遭到破坏的农业生产基本得到恢复，并得到了进一步的发展。这些都为中原传统文化的保存和延续提供了可靠的物质基础。
忽必烈的一系列做法，主观上的根本目的是为了维护自己的统治，但在客观上却符合历史发展的必然趋势——落后的游牧奴隶文明必定要适应先进的农业封建文明，适应得越好，越能发展和巩固统治；不能适应或适应后又反复，必然要遭到历史的报应。忽必烈晚年已经不能坚持推行治法，他之后的统治者们，大多没有继承他先进的一方面，却发展了其落后的一方面；导致元朝中后期阶级和民族矛盾日益激烈，统治集团内部争权夺利的斗争也更加尖锐，这也是元朝为什么不到百年就灭亡的主要原因之一。
