至元八年（1271）十一月，忽必烈將“大元”國號頒行天下，第二年，又重新改稱中都為大都，作為大元首都。在經曆多年的戰亂之後，在中國大地上一個統一的中央政府逐漸形成了。
滅亡南宋，統一全國
忽必烈在北方的統治逐漸穩固後，對南宋的征伐便成了下一個重要目標。忽必烈先督造船隻、整編軍隊，為消滅南宋做了積極的準備。忽必烈在總結窩闊台及蒙哥攻宋得失的基礎上，製定了先取襄樊、實施中間突破、沿漢入江、直取首府臨安的滅宋方略。
襄陽、樊城兩城夾漢水對峙，江中造有浮橋，可互相應援，地理位置十分險要，被南宋視為國脈所在，苦心經營多年，城牆堅固、兵精糧足。因此，對襄、樊兩城的得失，關係到整個戰爭的成敗。忽必烈為此做了長時間的準備，並聽取南宋降將劉整的策略，焚毀浮橋斷絕兩城聯係。至元十年（1273）正月，元軍攻破樊城，襄陽守將投降。
襄、樊的陷落使南宋朝野震動，把戰略防禦重點退移至長江一線。但是在打開了通往南宋的堅固大門之後，蒙古軍步步緊逼，增兵10萬，繼續南征。到至元十一年（1274）十二月，元軍主將伯顏以聲東擊西、避實擊虛之策強渡長江成功，戰爭局勢從而有了決定性的轉折。此後蒙古軍隊節節勝利，先後攻下了南宋的許多重要城鎮，包括建康在內。
建康失守之後，南宋的長江防線也便徹底崩潰。忽必烈命右丞相阿裏海牙攻湖南、左丞相阿術攻揚州、伯顏率主力直取臨安（今杭州）。至元十三年（1276）正月，三路大軍會師於臨安郊外。二月南宋恭帝率百官降元。
為了徹底消滅南宋，忽必烈仍派兵對南宋王室進行追討，直至至元十六年（1279），最後消滅了流亡在崖山的南宋殘餘勢力，完成了全國的大統一。
忽必烈以後的元朝
世祖忽必烈於至元三十一年（1294）去世，已故太子真金的兒子鐵穆耳登基，是為成宗，他在位13年，尚能力守成憲，國家安定，經濟發展，政權尚稱鞏固。成宗死於大德十一年（1307）。此後，元朝統治者為了爭奪帝位，不斷火，互相殘殺，在短短26年中（1307~1333）連續換了8個皇帝，國本大傷，大大削弱了元王朝的統治能力。最後一個皇帝妥貼睦爾，於至順四年（1333）嗣位，年僅13歲，他麵臨一個政治腐敗、財政枯竭、民不聊生的困難局麵，再也無力回天。由階級矛盾與民族矛盾交織而成的紅巾軍起義，於至正十一年（1351）爆發，吹響了元朝滅亡的號角。
在鎮壓起義過程中又湧現出大批地主武裝，連年混戰，越發不可收拾。至正二十八年（1368），妥貼睦爾終於被明軍逐出大都，逃往應昌（今內蒙古克什克騰旗西），元帝國在中原的統治宣告結束。