1271年，忽必烈接受汉人刘秉忠建议，取《易经》“大哉乾元”之义改国号为“大元”，次年定都大都，即今北京，元朝正式建立。元朝的建立，标志着大蒙古国由草原游牧政权向中原王朝的转变，忽必烈也从蒙古大汗变为大元皇帝，史称“元世祖”，尊祖父成吉思汗为元太祖。
元大都
既然成为了中原皇帝，那么完成中国的统一就是必不可少的一步。当时全国大部已经归顺大元，只剩下一个苟延残喘的南宋。
此前，蒙古军队遭到了南宋军民的强烈抵抗，各路进展都不是很顺利。1273年，元军攻克襄阳，成为元宋战争的转折点，南宋再也无法阻挡元军南下的步伐。之后，元军可以顺江东下和南下，在汉人向导的带领下长驱直入。
可是，正在攻宋正酣之时，忽必烈突然暂缓了南下的脚步，转而把目光投向日本。1268年以后，忽必烈屡次遣使要求日本称臣纳贡，开始没有回复，之后遭到了日本镰仓幕府当权的北条时宗断然拒绝。北条氏从南宋口中得知蒙古人野蛮残暴，看不起蒙古人，回复蒙元的信中说道“蒙古名号，闻所未闻”，意思是：你算老几，凭什么向你称臣纳贡？
元世祖忽必烈
忽必烈一看：怎么着，给脸不兜着？那好，暴力是你唯一能够听得懂的语言。1274年，忽必烈派出由蒙古人和高丽人组成的元军东征日本，共计900艘船，40000人。
一开始，元军进展十分顺利，攻占了对马、壹岐岛，在北九州博多湾登陆。日本武士习于单骑决斗，元军则使用火器，以密集的步兵方阵冲击。日本人哪见过这种阵仗，被射着箭，扔着震天雷的元军打得大败，退守太宰府。
然而，上天没有眷顾元军。元军民族成分不同，不能齐心；高丽人给造的战船又粗劣不堪，质量极差。元军之后遭日本军民强烈抵抗，回到船上后遭遇夜间台风，1/3的战船被毁，损失惨重，只得退兵。由此，元朝第一次东征日本以失败告终。
攻打日本失败后，忽必烈又把目光转回南宋，发动猛攻。1276年，元军攻破南宋都城临安，宋恭帝和谢太后投降。可是，南宋大臣陆秀夫等人拥立新帝，流亡东南沿海，坚持抵抗。所以，元军海陆并进，继续追击南宋残余势力，并切断了其退路。
1279年，元军在崖山海战中击败南宋水军，陆秀夫身背8岁宋帝赵昺投海而亡。至此，南宋灭亡，元朝完成了中国的又一次大一统，结束了自五代十国以来近400年的分裂局面。
统一中国后，忽必烈再次派使前往日本，还是那个要求：日本只要称臣纳贡，什么都好说。日本经上次一战，侥幸获胜，更加瞧不起蒙古人：我的大大的，你的小小的，直接把元朝使节都给杀了。并且，日本吸取了上次教训，早就筑海垒，加强了防御。
忽必烈龙颜大怒，于1281年再次派大军东征日本。这次元朝共征发了14万人，由东路军4万人和南宋降将范文虎率领的江南军10万人，4400艘战船构成。
然而这一次跟第一次差不多，元军又遭遇了台风，船只大部沉没，而且南宋降军出工不出力。元军被迫再次退兵，元朝第二次东征日本又以失败告终。日本人由此认为是神风在护佑日本群岛，故把1281年的台风称为“神风”，这就是二战日本“神风特攻队”的来源。
1281年，在回国的途中经过澎湖列岛，元朝在此设立澎湖巡检司用来管理台、澎事务，以图进取流求，再次东征日本。不过，元朝并没有实际控制流求，即今台湾岛，而是名义上遥领。但是，澎湖巡检司的设立仍然被看作中国历史首次管理台湾的开始。
二征日本失败后，忽必烈又把目光转向了占婆。占婆新任国王不甘受制于元朝，扣押了元朝过境的使者。1282年，元朝出兵5000人，2500艘战船进攻占婆。1283年，元军攻占了占婆首都，占婆王逃亡后仍在深山坚持抵抗。
1284年，元朝再次派军征讨占婆，占领其北部国土，但是仍然没有达到预期效果。占婆王向邻邦四处借兵求援无果，只好向元朝遣使谢罪朝贡，两国恢复了正常的关系。至此，元朝攻打占婆的行动结束。
此后，元朝又进行了一系列海上远征邻国的行动。因攻打占婆时安南不肯借道，1285-1293年元军多次攻打安南，即大越；因爪哇国不肯向元朝纳贡，1292-1293年元军远征爪哇。但是，征讨安南、爪哇的行动均因水土不服，不习水战而以失败告终。这说明，元朝的对外扩张已是强弩之末，面对高山丛林与汪洋大海无能为力。
从1281年开始，元朝对缅甸蒲甘王朝发动了一系列的打击，攻克一部分土地。虽然1287年元军遭缅军伏击损失惨重，然而之后缅甸仍然不得不谢罪称臣纳贡。而且，经元朝的重大打击，缅甸蒲甘王朝走向分裂灭亡。
元朝的一系列对外征伐，空耗国力却收效甚微，并没有取得多少疆土。1292年，素与元朝不和的察合台汗国攻取了葱岭以东、昆仑山以北的塔里木盆地大部分土地。忽必烈派兵讨伐，阻止其进一步东扩，但无力收回失去的土地，只好承认既定的事实。
元成宗铁穆耳
1294年，忽必烈去世，其孙元成宗铁穆耳继位。铁穆耳刚继位，窝阔台汗国和察合台汗国就不断犯边。
1297-1298年，元成宗派大将床兀儿西征，大败窝阔台之孙海都和察合台大汗笃哇。1301年，海都死；1302年，笃哇降。至此，60多年来成吉思汗子孙多年自相残杀的局面暂告结束。
1300年，铁穆耳派兵远征八百媳妇，即兰纳国。但是，这次征战不但没有成功，反而引发了西南地区的少数民族起义，动乱持续数年之久。1302年，元成宗带着遗憾病逝。
1308年，元武宗海山在位时，元军征服了库页岛上的骨嵬，将库页岛纳入版图。1310年，反复无常的窝阔台汗国仅剩的国土被察合台汗国和元朝瓜分。
元朝西南有个兰纳国，即元朝口中的八百媳妇，位于今泰国北部，由泰阮人所建，屡次三番勾连缅甸的两个小王国与元朝作对。元朝第一次讨伐兰纳失败后，又多次对兰纳进行招抚。
1330年，兰纳终于正式归顺元朝，请置官守。1331年，元朝在此设立八百等处宣慰司都元帅府。从此，兰纳形式上成为元朝的一个土司。同时，元朝又依靠麓川土司对缅甸的实皆王国进行打击，攻占了不少国土。
至此，元朝的版图臻于极盛，西起天山，东到鲸海，北逾贝加尔湖，南至南海，面积超1400万平方公里，为中国历朝历代之最。
元朝的对外海上远征多以失败告终，这反映了元朝对外扩张的局限性，面对广阔的海洋和热带的高山丛林，元人确实无能为力，鞭长莫及。然而，元朝对西北和西南地区的征伐还是有积极意义的，有力地保证了边疆地区的安全。元朝的管理比较粗放，但其一不小心创立的行省制度，对于维护多民族国家的统一和稳定，有着积极的历史意义，被后世所沿用至今。
