忽必烈为藩王时，便热心于学习汉文化。公元1251年，长兄蒙哥即大汗位，忽必烈以皇弟之亲，受任总理漠南汉地军国庶事，南驻爪忽都之地。他先后任汉人儒士整饬邢州吏治，立经略司于汴梁，整顿河南军政，并屯田唐、邓，收到积极效果。

    公元1253年，受京兆（今陕西西安）封地，忽必烈又在这里任诸儒臣兴立屯田，兴复吏治，恢复农业，建立学校，进一步取得北方汉族地主阶级对他的拥护，为元王朝的建立提供了社会基础。

    蒙哥即汗位后，遣忽必烈开拓南部汉地，令旭烈兀远征西域，以阿里不哥留守和林看管蒙古本土，自己则亲率大军伐宋。不料蒙哥汗于1259年在合州城下阵亡，大汗蒙哥遗留下三个弟弟：忽必烈、旭烈兀和阿里不哥。旭烈兀自1256年成为波斯汗后，由于远离蒙古，而没有要求继承大汗位。

    剩下的只有忽必烈和阿里不哥。阿里不哥作为幼子，已经成为蒙古本土上的统治者，并在蒙古都城哈拉和林扎营。按规矩，大汗之确定须由大会推举，由于阿里不哥在和林颇受诸王公之拥护，所以忽必烈就想抢在他之前行动。他率军从武昌北上，在上都府（位于今察哈尔和热河之间的多伦诺尔附近）建大本营。

    公元1260年6月4日，他在此被他的党羽，即他的军队，拥立为大汗，建年号为中统，并诏告内外。按成吉思汗的法律，这次仓促的选举是非正式的。按传统，大会应该在蒙古召开，会前应召集成吉思汗的四个兀鲁思的代表们出席。与此同时阿里不哥则在和林召集大会，亦称大汗，于是兄弟拔刀相向，内战长达4年之久。

    关键的胜利一仗是忽必烈的副将们为他取得的，他们在甘州东部（甘肃境内）打败了阿里不哥军，这次胜利巩固了忽必烈在对蒙古统治下的中原的所有权。同时，忽必烈把他的优势向蒙古推进，他于1260年年底，在哈拉和林以南的翁金河畔度冬；而阿里不哥朝叶尼塞河上游撤退。接着忽必烈错误地设想战争已经结束，在和林留一支普通军队后，回到中原。

    1261年年底，阿里不哥卷土重来，驱逐了这支驻军，并进军迎战忽必烈。站在阿里不哥一边的有窝阔台家族的首领、塔尔巴哈台的叶密立地区的统治者海都和察合台宗王阿鲁忽，阿里不哥曾帮助阿鲁忽从其堂兄妻、兀鲁忽乃手中夺得察合台兀鲁思。

    由于这一支持，阿里不哥的势力与忽必烈的势力相匹敌，直到将近1262年年底，阿鲁忽背弃阿里不哥投靠忽必烈。这一出人意料的背叛改变了形势。最后在1264年，阿里不哥投降忽必烈。忽必烈宽恕了他，但是为谨慎起见，他把阿里不哥作为重要俘虏囚禁起来，直到1266年阿里不哥去世。

    公元1271年，时机终于成熟。蒙古大汗忽必烈把原来属西夏帝国，金帝国，宋帝国，大理帝国和蒙古本土合并成一个帝国，国号“大元”，为《易经》“大哉乾元”之意，蒙古国从此由一个少数民族建立的政权，变为中华帝国正统王朝的一个朝代。元世祖建立帝国后成为蒙古汗国唯一的宗主，建都北京，北京成为远至多瑙河和幼发拉底河的世界之都。

    忽必烈以前辈们的赫赫战绩为荣，并鉴其经验与教训，最终完成中国空前大统一的丰功伟业，成为中国历史上一位享有盛名的开明君主。与祖父成吉思汗一样，忽必烈堪称蒙古一代伟人。但在人们的脑海中，成吉思汗几乎成了蒙古征服者的代名词。提起忽必烈，人们又马上会联想到元朝的大一统帝国。成吉思汗以征服武功震撼世界，忽必烈则以文治著称天下。

    元朝的建立是蒙古帝国各方面制度朝向汉化的重要步骤。元朝初年的经济之所以能够蓬勃发展，与忽必烈年轻时重视人才、听取汉人的意见有很大的关系。元朝在这样开明君主创建下可谓是开了一个好头。

    马可·波罗对忽必烈也是敬仰有加。他是这样描述忽必烈的：忽必烈中等身材，四肢匀称，面目清秀，眼睛乌黑，显得精明强干。他英勇善战，具有杰出的军事才能，即位前是一位战功卓著的军事统帅。继位后，他是有史以来臣民最多、疆域最广、收入最丰、具有绝对权威的君主。