占城又稱貞臘，為今越南中南部地區的古國。至元十五年，駐泉州荊湖行省左丞唆都，為迎合和滿足忽必烈對東南亞各地的興趣，派人前往占城了解情況，返回後唆都報告忽必烈占城國王願意“內附”。忽必烈遂下詔派遣侍郎教化迪總管孟慶元、萬戶孫勝夫與唆都等由海路赴占城，冊封占城王為郡王，並招其來朝。至元十七年（1280年），占城國王遣使來朝，並貢方物。此後雙方關係密切，並在其國王孛由補剌者吾在位時，命唆都在占城設立占城行省。但不久，老國王去世，其子補的立，不聽命於行省，反對元朝統治，公開扣押元朝使臣。至元十九年忽必烈下令，命唆都率兵征討。唆都率海舶百艘，戰艦250艘，《元史》本傳稱千艘。從廣州出發，在占城登陸。占城國王親率大軍迎戰（唆都傳稱20萬大軍），唆都分兵兩路夾擊，占城兵大敗，國王等逃入山中繼續頑強抗擊。元軍亦傷亡慘重，不敢深入。忽必烈又派萬戶忽都虎、烏馬兒率江淮軍兩萬，渡海支援唆都。但唆都在占城軍的反擊下，行動困難，不得已退回廣州。《元史》本傳稱“造木為城，辟田以耕，伐烏裏、越裏諸小夷，皆下之，積穀十五萬以給軍”。忽都虎等在占城登陸後，再次招諭占城王投降。占城王遂納款歸順。不久即派其孫奉表稱臣。但當時由於海路險遠，占城國王歸順的消息遲遲未達元朝。忽必烈遂於至元二十一年命脫歡率兵前往占城，支援忽都虎等。這次脫歡進兵，擬假道安南，從陸上進攻占城。忽必烈下詔命安南王假道、助糧。元軍至安南邊境，安南國王亦陳兵邊境，聲言“本國至占城水陸俱不便，願獻糧退軍”（《新元史》卷251《外國傳》）三“安南條”……元軍強行進入安南境內，擊破安南軍多道防線，年底，一部分元軍渡富良江（今紅河）。至元二十二年初，安南國王日烜親率十萬大軍與元軍激戰於排灘，日烜大敗，退守瀘江（今黑水河），又為元軍所破，元軍兵臨安南王都。安南國王日烜被迫傳位於其子，自己位居太上皇，離京城南下，組織新的抵抗鬥爭，但屢屢失敗，逃到清化再次向元軍表示求和之意。當時元軍深入安南，但安南軍民抗戰情緒高昂，元軍又不適宜於安南氣候，疫病流行，傷亡慘重，遂決計退兵。至冊江，元兵遭安南兵伏擊，唆都、李恒被殺，元軍拚死戰鬥，脫歡等始得突圍撤回國內，元軍傷亡過半，損失慘重而一無所獲。
忽必烈獲知脫歡兵敗，十分震怒，當時正在籌劃征伐日本之役，得知此事，遂停止征伐日本，全力以赴準備再征安南。至元二十三年四月，忽必烈下令征安南，並封安南國王宗族陳益稷為安南國王，陳秀為輔義公，由元軍護送歸國。當時湖南省臣線哥冒死上書，認為“連歲征日本及用兵占城，百姓罷於轉輸，士卒觸瘴癘多死傷，群臣愁歎，四民廢業，今複有事交趾，動百萬之眾，非所以恤士民也”（《新元史》卷251《外國傳》）三“安南條”……此奏折所舉，是當時元朝政治生活中存在的一個沉重事實，也是忽必烈思想中最為難處理和最感頭痛的一個重大問題。忽必烈被迫同意了線哥的奏章，暫不出兵。但忽必烈畢竟是一位繼承了以武力征服世界為光榮的蒙古貴族，其統治一切、蔑視一切、企圖征服一切的思想，仍是根深蒂固的。在經過充分準備後，於至元二十四年年底，再次派兵出征安南。這次元軍仍由鎮南王脫歡統率，以阿八赤為征交趾行省左丞，發江淮蒙漢諸軍近十萬，船500餘艘，分道進軍安南。最初戰事進展比較順利，於年終時，大軍渡富良江，再次兵臨安南都城，並攻取王都，安南太上皇日烜及其子逃入海島。至元二十五年初，元軍在軍事上雖進展順利，但後勤運糧船遇到安南水軍頑強阻擊，軍糧損失嚴重，船隻無法前進，運糧官萬戶張文虎等被迫沉糧於海，退回瓊州，元軍既受到安南軍的頑強阻擊，又缺糧食供應，處境十分艱難，隻好退軍。安南王日烜集中兵力三十萬，連亙百餘裏，進行阻擊。在撤退過程中，樊楫與烏馬兒參政所率元軍，在海上被截擊，全軍覆沒。脫歡率其他元軍且戰且退，大敗而還。元軍退後，安南王日烜將被俘元軍額頭剌“天子兵”或“投南朝”字樣，然後全部遣返，又派使者貢方物，進“代身金人”，向元朝“謝罪”。忽必烈在安南問題上屢遭挫折，雖然十分惱怒，恨不得再發大軍出征，但當時兵力捉襟見肘，力不從心，而且安南氣候炎熱，交通不便，幾次出征，水軍損失嚴重，再加安南王日烜多次派使臣，一再表示臣服歸順，忽必烈也隻好順水推舟，放棄武力征討，隻是仍堅持安南王日烜必須親自來朝，陛見忽必烈。而日烜仍以年老多病，路途難行，推辭不來。至元二十年安南王日烜死，其子日燇遣使告哀，並請元朝政府批準其繼承王位，表稱：“六尺微孤，夙受父訓，於臣事天朝，毋廢歲貢一事，切切在懷。”（《新元史》卷251《外國傳》）三“安南條”。忽必烈堅持要日燇親自來朝。日燇仍嚴守其父的立場，可以稱臣納貢，進表謝罪，就是不願親自來朝。雙方多次交涉，各持己見，無所進展。忽必烈惱怒非常，再次下令準備武力征討安南。正在調兵遣將之時，忽必烈去世。這一場即將爆發的大戰亦隨即停止。此後，元朝與安南的關係雖仍然時好時壞，但從總的方麵看，是處於和平相處的狀況。應該說，元朝與安南、交趾之間戰爭的發生，是與忽必烈個人的氣質和思想，有著很大的關係。
在忽必烈時期，與元朝關係密切的另一個東南亞國家是緬國，而元朝與緬國的關係，又主要是通過雲南王和雲南宣尉使來實現的。至元八年，大理宣慰使秉忽必烈旨意，派乞台脫因等為使，出使緬國，雖未能親見其國王，但緬國仍派員前來聯絡，並提出觀看元朝所保存的舍利，表達和好的願望。使臣至京後，參觀了京城的佛教寺院。至元十年初，元朝派乞台脫因以禮部郎中的身份，與工部郎中劉源等為使臣，同緬國使臣攜忽必烈璽書，再次出使緬國，要求緬國王“遣子弟大臣來朝”。此次出使，為蒲人（古代活動於雲南地區布朗族先民）所阻，未能達緬國都。至元十二年，建寧路（今福建甌縣）安撫使賀天爵上報說，聽金齒（古代雲南地區傣族先民的稱呼）頭目阿郭說，“入緬有三道，一由天部馬，一由驃甸，一由阿郭地界，俱會緬之江頭城”（《新元史》卷252《外國傳》）三“緬國條”。並報告說，阿郭的屬民阿提範在緬掌管五“甸”，每“甸”有民戶萬餘，欲內附元朝，並願意作為元朝出兵緬國的向導。忽必烈未被所動。至元十四年，以千額總管阿禾為首的一部分金齒部落歸附元朝，緬人又乘機攻擊阿禾部，欲圖在騰越和永昌（永昌府治在今雲南保山縣，其轄境約為今大理西南雲南境內瀾滄江以西，及薩爾溫江以東地區，騰越為永昌府騰越廳）之間修築堡寨。此時正值忽必烈命大理宣慰使，派萬戶忽都、總管信苴日等率兵征討永昌以西騰越（今騰衝）、蒲驃（今保山西南）、金齒（今保山東南）等未降各部，駐兵於南甸（今雲南梁河）。阿禾即向元軍告急，忽都等以七百人緊急支援阿禾，與緬軍在大盈河相遇，緬軍約四五萬人，有步卒、馬隊和象隊，與元軍隔河相望。忽都先發製人，分三隊突擊緬軍，象、馬失控，緬軍大亂，元軍大獲全勝，連破緬軍17寨。當年十月，雲南宣慰使都元帥納速剌丁率蒙古和爨（彝族先民）、（白族先民）、摩些（納西族先民）等組成的軍隊三千多人征緬，至江頭城（今緬甸伊洛瓦底江上遊西岸傑沙），招降三百餘寨、三萬五千餘戶，因酷熱難當，即班師而回。至元二十年，忽必烈準雲南宣慰使納速剌丁的請求，再次發兵征緬。元軍由宗王相吾達爾、右丞太卜、參政也罕的斤等統率，分路西進。十一月也罕的斤取道阿昔江（今檳榔江）至鎮西（今雲南舊城），乘船順流至江頭城，斷緬人水路。相吾答爾自率一軍自驃甸（今緬甸馬用英）攻破江頭城，再破其太公城（伊洛瓦底江東，今緬甸拉因公附近），建都及金齒十二部均歸順於元。至元二十二年緬王遣其鹽井大官阿必立相互太公城，通好於元，為當地頭目阻撓，後經驃甸土官上報元鎮西平緬麗川等路宣慰司溝通，忽必烈又派鎮西平緬宣慰使達魯花赤兼招討使怯烈至緬國，圖滿帶為都元帥、張成為征緬副都元帥、也先鐵木耳為征緬招討使，率兵六千，由中慶（今昆明）抵永昌，經阿昔甸至忙乃甸，實際控製了緬國大部分土地。至元二十四年，緬王庶子速速古裏發動宮廷政變，國王為其所囚禁，代表雲南王駐於緬國的元朝官員阿難答等被殺。忽必烈決意再次出兵緬國。這次出兵聲勢浩大，以脫滿達爾為都元帥、李海剌孫為征緬行省參政，率新附軍五千、探馬赤軍一千，又調四川湖廣軍五千，共一萬餘人，開赴緬國，深入蒲甘（今伊洛瓦底江中遊蒲甘）。緬人憑借複雜地形和惡劣氣候，誘敵深入，使元軍四麵受敵，糧、援無繼，死傷七千餘人，幾乎全軍覆沒。緬王在取得大勝後，立即向元朝遣使謝罪，表示歸附。雲南王代表元朝政府接受緬王請求，遂定三年一貢。至元二十六年緬王遣委馬拉菩提班來元朝朝貢。忽必烈死後，元朝與緬國關係日益密切，和平相處，互相支持。大德元年（1297年），元政府正式封的裏普哇納阿迪提牙為緬國王，賜銀印，封其子僧哈八的為緬國世子，賜虎符，其他親貴大臣亦有封贈。大德四年，緬國內亂，緬王被殺，元朝政府又派兵入緬，幫助恢複秩序，結果領軍將領接受賄賂退兵，無功而還。此後關係逐漸好轉，互派使臣，終元世不絕。
此外，在忽必烈時期，元朝與暹羅（今泰國）、八百媳婦國（今泰國北部）、琉球群島、爪哇島等都有較密切的關係。這一方麵是忽必烈繼承其祖先衣缽，以向外擴張為其天賦責任和權力，並以其擴張成果來衡量其國力強弱、功業大小；同時也是在平宋後，南宋遺留下了大量降將和水軍，對這些人，如果全部遣散，將給社會造成不穩定，隻好收編為元軍。而這部分元軍，對蒙古人的統治始終是一個潛在的威脅，最好的辦法，是將其派往境外進行征討，不斷進行戰爭，這既可以滿足蒙古貴族向外擴張的欲望和需要，又較好地處理了大量投降了的原南宋軍隊，一舉兩得。這應該是忽必烈時期對日本、東南亞各地多次用兵的主觀原因中的一個重要因素。