公元1260年1月4日，忽必烈率军抵达燕京，即今天的北.京市。
忽必烈率军在燕京近郊驻扎，度过整个冬天，并积极和诸王联络，准备在公元1260年春天召开库力台大会，举行登基大典。
公元1260年5月5日，忽必烈登基为大汗，成为蒙古帝国大汗。
忽必烈发布称帝的即位诏书《皇帝登宝位诏》，在诏书中，他自称为“朕”，称他的哥哥元宪宗蒙哥为“先皇”。
公元1260年6月29日，忽必烈发布《中统建元诏》，正式建年号“中统”。
公元1264年9月7日，忽必烈发布《至元改元诏》，取《易经》“至哉坤元”之义，改“中统五年”为“至元元年”。公元1271年12月18日，忽必烈将国号由“大蒙古国”改为“大元”，从大蒙古国皇帝变为大元皇帝，大元国号正式出现，忽必烈成为元朝首任皇帝。
我们从忽必烈从《易经》中取国家的名号，可见他的文化水平，也可见他对汉文化的重视。
这一点，注定了他和他的先祖成吉思汗是有区别的，可以说，成吉思汗只是一个开疆扩土的屠夫，而忽必烈是个懂得治理国家的君主。
公元1263年五月，忽必烈升开平为上都，作为驻夏的纳钵。
第二年年八月，又下诏燕京仍改名为中都，作建都的准备。
公元1272年二月，采刘秉忠议，改中都为大都，宣布在此建都。
公元1273年，大都宫殿建成。
次年正月元旦，忽必烈在正殿接受朝贺。
元朝从此即定都在大都。
大都代替和林，成为元朝多民族国家的政治中心。至此以后，明、清两代，北京一直是国家的首都。
公元1274年，忽必烈命令屯戍高丽的凤州经略使忻都、高丽军民总管洪茶丘率兵15,000人，大小战船900艘出征日本。
元军选择的进攻地点是离中国最近的北九州地区，也就是日本与朝鲜半岛间的门户对马岛。
十月初三，元军从朝鲜半岛的合浦，即今镇海湾马山浦悄然出击，六日凌晨突然出现，成功登陆对马岛。
元军全歼岛上日守军，攻占对马岛。接着，于十四日发动对壹岐岛的攻击，战火开始烧近日本本土。
这也是日本本土第一次遭到攻击，此后，一直到美国攻打日本，使得日本第二次遭到本土攻击。
十六、十七两日，元军开始攻击日本本土，在九州松浦、平户等地进行多点袭扰性登陆。
二十日，这次战役中两军最大的决战在博多湾发生。
此一战，十万日军全军崩溃，放弃博多等地，逃往北九州的首府太宰府。
可见日本的战斗力非常有限，在人数和地利的面前，仍然不敌元军！
此时的元军，最有利的是速战速决，不要给日本喘息的机会。可惜，元朝的将领得意忘形，导致不能速战速决。
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元朝的前方指挥作战的左副元帅刘复亨，在追击日军的时候，未免得意忘形，没有防范就突出阵前，根本不把日本军队当一回事。
日军大将少贰资景是一名神箭手，他见对方主帅在阵前，当下返身一箭将其射伤。
元军尽管进展顺利，但因为主帅受伤，所以决定停止追击，撤回船上休整，第二天再次进攻。
他们没有想到的是，这一去，就再也没有能够回来。
因为，当天夜里，北九州正好受到了一次台风的袭击，元军的战船，全部被刮跑！
日军胆战心惊地在岸上守候了一夜，第二天早上，惊讶地发现海面上连一条元军的船都不见了！
就这样，第一次东征日本的元军，因大风造成大批船只失事，据记载，溺毙、失踪有一万三千余人！
此次东征，损失惨重，战事被迫中止。
日本的镰仓幕府对元朝的态度就更加强硬，更不放在眼里了！
公元1275年，忽必烈派去日本的使臣杜世忠、周福等人被镰仓幕府斩杀。
蒙古贵族上层对此极为震怒，忽必烈为了维护自己的权威，在公元1281年第二次出兵讨伐日本。
这一次，忽必烈出动兵力约15万人，是当时世界上史无前例的大型舰队！他是铁了心要灭掉日本！
然而，这次的作战进展比第一次要艰难得多。
元军兵分两路，主力江南军约十万人，因种种原因直到七月才抵达日本海岸，而东路军约5万人则循旧路再次登陆北九州。
兵分力散的元军，受到日本沿海防御工事的阻碍，寻找登陆点便花费很多时间。
他们登陆后，又遭到早已有备、装备训练都得到很大提高的日军的截击，使得伤亡较大，再加上疫病横行，元军前进速度十分缓慢。
七月三十日，在海上徘徊许久的元军再次遭遇台风，这一次的损失更为惨重，特别是迟迟方到的江南军，因为仓促建造的战船，质量低劣而几乎全军覆没！至于东路军的损失，也几乎达到七成。
元朝的第二次对日征讨再次失败。
之后，虽然忽必烈还计划过第三次征讨，但因形势所限，最终没有实施。
忽必烈在征日第一次失败后，改为全力进攻南宋，在公元1276年2月4日，攻入临安，宋恭帝赵显奉上传国玉玺和降表，南宋灭亡，元朝掌握了全国的政权，建立一个庞大的帝国。
忽必烈灭宋之后，保留了宋朝的机构和全部行政官员，而且还尽一切努力得到了当时任职官员们的效忠。
他非常注意选用人才，重用汉臣，如董文炳、刘秉忠、张弘范等，任命色目大臣阿合马掌管国家财政。采用汉法，建立各项政治制度。如在地方上建立行省，中央设中书省，开创我国省制之端。他设立“司农司”、“劝农司”等专管农业的机构，以劝农成绩作为考核官吏的主要标准，并令人编辑《农桑辑要》于至元二十三年颁行全国。另外，加强了对边疆地区的管理，开辟了中外交通，在各地建立驿站，巩固了对全国各地的统治。