从1251年起，开始正式经略中原地区。为巩固蒙古人在中原地区的统 治，忽必烈推行汉法，重用儒士，取得了良好效果。为了维持蒙古帝国的战斗力量，就必须保证人口的稳定增长。因此忽必烈首先从农业抓起。他到达中原后做的第 一件事，就是奏请蒙哥将原来的税制加以变更，并且在黄河畔修筑5座粮仓，允许百姓直接纳粟，起到了军民两便的作用。忽必烈还实行了劝农政策，使农业得到恢 复和发展。忽必烈称汗后，在1260年设置十道宣抚司，并规定宣抚使有劝农的职责。从1261年起，忽必烈直接在中枢建立了劝农司，作为劝导督察农事的机 构，后改为司农司、大司农司，其主要职责就是“劝诱百姓，开垦田土，种植桑枣”。而从1264年起，更把“户口增，田野辟”作为考核官吏的首要标准。经过 这样一系列的努力，到1270年以后，中原地区长期遭到破坏的农业生产基本上得到了恢复，有的地方甚至得到了发展。
公元1253年， 蒙哥把京兆地区赏赐给忽必烈作为他的封邑，于是忽必烈在该地设置了京兆从宜府，负责这一地区的经济开发。忽必烈在凤翔地区屯田，招募百姓耕种，然后用收获 的粮食换取河东解州的盐，再开辟嘉陵江的浦运，将换得的粮食供给军队。巧妙地将经济生产和军事需求结合起来。忽必烈还在京兆地区设立了宣抚司、交钞提举司 等经济管理部门，专门负责商业之流通和印制交钞。
在忽必烈经略中原时期最重要的一件事就是建开平府。开平府营建于1256年，经3年 的营造，宫室、城垣初具规模，成为忽必烈统治中原的中心所在。对中原地区治理的另一项重要举措是忽必烈兴儒学，以及对儒士的重用。他遵照窝阔台时期考选儒 士的规定，免去儒户的赋役，修缮了燕京地区的文庙。当时中原儒士多对忽必烈充满期望，认为“今日能用士，而能行中国之道，则中国之主也”。忽必烈对中原地 区的治理为他后来争夺汗位，一统天下，建立大元，打下了坚实的政治和经济甚础。
1259年，蒙哥死在了四川的战斗中。忽必烈与阿里不哥开始了长达5年的汗位之争。在这场战争中，稳定的社会基础和充足的物质基础是忽必烈能够取得最后胜利的一个必要条件。1264年阿里不哥败降，其直接原因就是粮绝兵疲。
忽必烈在汗位争夺中取得胜利以后，随即挥兵南宋，开始了统一战争。战争自1267年8月开始至1276年3月宋恭帝出降、南宋灭亡为止，历时近10年。 后又用了3年的时间肃清海上的南宋残余势力。最终忽必烈完成了中华一统，结束了自朱温篡唐以来华夏大地的长期分裂局面，成为了中国真正的主人。
公元1271年，忽必烈改国号为元，取《易经》中“大哉，乾元”之意，从此大蒙古帝国在中国的这一部分以“元”这个名字被载入史册。
