忽必烈称帝，公布《建国号诏》法令，取《易经》中大哉干元之意，正式建国号为大元。一年之后，在刘秉忠的规划之下，元帝国建都于金国中原的大都。
北方政局稳定后，忽必烈决定采用南宋降将刘整的建议，先拔襄阳，浮汉水入长江，进取南宋。忽必烈命令阿术、刘整督师，围困隔汉水相望的襄、樊重镇，襄樊军民拒守孤城达六年，元军攻下了樊城，襄阳守帅吕文焕出降。
次年六月，忽必烈命令伯颜督诸军，分兵两路大举南进。左军由合答节度，以刘整为前锋，由淮西出师。伯颜本人与阿术领右军主力，九月自襄阳出发，沿汉水进入长江；同时命令董文炳自淮西正阳南逼安庆，以为呼应。
十二月，元军水师进入长江，攻克宋江防要塞阳逻堡，宋汉鄂舟师统帅夏贵逃遁，守汉阳、鄂州的宋军投降。伯颜分兵留阿里海牙经略荆湖，自己率领水陆大军顺流而东，以吕文焕为前锋。宋朝沿江诸帅多为吕文焕的旧部，皆不战而降。
贾似道被迫督领诸路精兵，抵御元军，这时他仍然企图奉币称臣议和，被伯颜所拒绝，只好在池州下游丁家洲勉强与元军会战。因为宋军内部的不和，与元军大战一触即溃，伯颜从建康、镇江一线分兵三道直趋宋朝首都临安，宋幼帝赵昺上表投降元军。
之后南宋大臣文天祥与张世杰、陆秀夫等在东南沿海继续顽抗，拥立益王赵昰为帝，赵昰死后，又拥立卫王赵昺，继续抗战。文天祥兵败被俘，被囚于大都三年之久，拒绝了元朝的招安，之后从容就义。金国降将张弘范指挥元军在崖山消灭了南宋最后的抵抗势力，陆秀夫背着八岁的幼帝赵昺投海殉国，南宋灭亡。
蒙古族是马背上的民族，一日三餐除了奶，最离不开的就是羊肉，最出名的美食也常与羊肉有关，烤羊腿、烤羊排。而现在吃火锅必点的涮羊肉，传说就是忽必烈这个蒙古大汗、元朝皇帝所发明的。
传说忽必烈有次亲率大军南下远征，在行军的路上，人困马乏就像是休息想要吃饭，忽必烈觉得军中的伙食太差，突然想起家乡的好吃的，想到了清炖羊肉就忍不住流口水，就吩咐了下去，厨子就立马宰杀羔羊，烧火准备炖肉。
可是突然探子来报，说敌军正在逼近，可是忽必烈已经饥饿难耐，就一边下令部队准备战斗，一边继续催促厨子赶快做菜，就是想要吃清炖羊肉。厨子知道他性情急躁不敢惹怒他，可是羊肉需要很长时间才能炖得熟，要这么慢的话敌军早就来了，等羊肉炖好自己早就被砍头好几次了。就在这个时候，厨子急中生智，把羊肉从块切成了薄片，然后放在锅里涮了几下，就捞了出来，撒了点调料，就给忽必烈这样端了过去。
忽必烈吃完之后就去杀敌，不久就凯旋而归，忽必烈很高兴，觉得厨子有功，就又让他做了一次那道菜，然后让麾下的将领们一起品尝。大家吃了都赞不绝口，忽必烈于是给它命名为涮羊肉，后来也就成为了宫廷的佳肴。
涮羊肉，又叫羊肉火锅，一般认为是始于元代，兴起于清代，清朝皇帝举办的几次大型宴会上也基本上都有涮羊肉这一道菜。涮羊肉，有三个基本要求，选料要羊肉鲜嫩，切片要纸薄均匀，调料要味美可口。
忽必烈的妻子众多，因此子嗣也不少，据记载他儿子有十个之多，名字分别是朵儿只、真金、忙哥剌、那木罕、忽哥赤、爱牙赤、奥都赤、阔阔出、脱欢和忽都鲁帖木儿。
长子朵儿只因为早逝所以史书数据很少，次子真金是忽必烈与察必皇后所生的，是嫡长子。他从小被父亲要求学习汉族儒学，在忽必烈继位的第二年被封为燕王。之后因为忽必烈把蒙古大会选举大汗的传统改成了汉族的嫡长子继承制度，所以真金被封为了皇太子。之后他到藏区负责了几年外交事务并且学习佛学，回京后参与朝政，支持汉文化，与敌对势力斗争。
一封让忽必烈禅位的奏章在当时朝廷引发了轩然大波，忽必烈大怒，而真金作为太子嫌疑最大，所以他受到了惊吓，后来因此生病而死，只有四十三岁，谥号明孝太子。不过他的三子铁穆耳继承了他的太子之位，后来成为元朝的第二位皇帝。因此真金也被儿子尊为了皇帝，庙号裕宗，谥号文惠明孝皇帝。
忽必烈之后几个儿子，大多被他封王，负责镇守各地。四子那木罕，他是真金的同母弟弟，被册封为北平王，镇守北方，曾经讨伐过叛乱的察合台汗国，后来进封为北安王，没有留下子嗣，几年后被追尊谥号为归定王。
忽必烈是蒙古帝国最后一位大汗，是元朝的开国皇帝，后世对忽必烈的评价总体不错，批评他的主要是他曾经打过仗的国家和地区的人，而赞赏的一般是他对汉文化的接受以及一些施政措施。
忽必烈是马背上的蒙古人，无论是他的祖父成吉思汗，还是他的父亲托雷，都是带兵打仗的好手，是出色的军事家。忽必烈相比这两位，也差得不多，他攻打过云南的大理国，最后使它投降灭国；攻打过南宋，迫使他们派丞相来割地求和；继位后，灭亡了南宋，统一了中国；两次攻打过日本，虽然都以失败告终。
忽必烈讨伐征服了不少国家和地区，他的军队肯定给这些地方带去过不少劫难。尤其他的祖父和父亲都有屠城的可怕经历，即使没有屠杀很多人，想来忽必烈也肯定做过类似残忍的事情，因此军事才能值得肯定，但也有许多的过错。
忽必烈从小尊崇儒学，早期管理地方时就任用了大批汉族的儒士作为幕僚。等到他继位，建立元朝后，忽必烈更是重用汉臣，采用汉法，很好地缓和了汉蒙的民族矛盾，巩固了统治。此外作为游牧民族的人，他却十分重视农业的恢复和发展，实行国家控粮政策，丰年收购余粮，荒年免费发放。而现在用的纸币钞票，据说也是忽必烈发明的，是他把钞票引入了流通领域。
后世称赞忽必烈英明神武的不少，马可波罗说他是有史以来从未见过的强大君主。
蒙古的窝阔台、蒙哥和忽必烈三位大汗都先后发动过对南宋的战争，最后南宋灭亡在忽必烈的手中，宋蒙之战持续了四十五年，所以可以说南宋反而是蒙古帝国攻打最久最难的国家。
窝阔台在位时，开始了蒙古对南宋的第一次战争，不过六年后以蒙古战败告终，也是蒙古帝国征服他国第一惨遭失败。后来蒙哥继位，兵分三路攻打南宋，其中自己亲自率领中路大军讨伐四川攻破了CD，可是在合州久攻不下，自己也在那里突然病逝。忽必烈进攻鄂州也没有进展，虽然南宋丞相贾似道派人来割地请和，但第二次大战又是失败。
忽必烈成为大汗后来平定内乱，建立了元朝，发动了元灭宋之战。元军这次首先攻打的是襄阳，历时六年才攻下这座城池。之后元军一路沿长江而下攻陷临安，南宋皇帝投降，不过南宋残余势力又另立皇帝，在福建广东等地继续抵抗。元朝和南宋在广东崖山爆发最终决战，南宋战败而彻底灭亡，元朝因此统一了中国。
忽必烈能够灭亡南宋，除了元朝军力的强大、南宋朝廷的腐败等原因外，从军事角度看，是正确的战略决定的。忽必烈把攻下襄阳作为灭亡南宋的关键，这与之前不同。而这一个战略，不是元朝自己提出设计的，反而是南宋的一个投降的将领刘整进献的。
八思巴是吐蕃的一位高僧，本名罗古罗思监藏，八思巴是他的尊称，意思是圣者。忽必烈在继承蒙古帝国大汗之位后，册封八思巴为国师。
八思巴从小跟着长辈学习宗教知识又接触政治，后来成为萨迦派第五世祖。八思巴谒见了还未即位的忽必烈，忽必烈一家都尊他为上师，又在他面前接受了密宗灌顶，并奉上财宝作为供养。
这一次的见面，为他两人以后的亲密关系打下了基础。当时在蒙古帝国里，佛教与道教一直相争，为了争权力和信徒，双方时常发生激烈的辩论，八思巴就曾经在一次辩论中代表佛教战胜了道教。
忽必烈成为蒙古大汗，八思巴被他尊为国师，四年后又兼任了总制院事，慢慢参与朝政。不久，八思巴奉忽必烈之命，创造了蒙古新字，也被称作八思巴文，并被忽必烈下令全国推行，成为了元朝官方的文字。之后深受器重的八思巴给忽必烈进行了第二次灌顶，因此晋升为帝师大宝法王。
八思巴是元朝第一位国师也是第一位帝师，在世时的功绩极大。首先佛教在元朝得到了长足的发展，他死后元朝依然任命僧侣为国师；另一方面，他也推动了全国各族人民的文化交流，是民族融合的功臣。此外因为管理西藏事务，他也使西藏得到了发展。