成吉思汗的孫子忽必烈，同他的祖父一樣是一位傑出的軍事統帥，也是一個出色的政治家。
自公元1241年窩闊台去世至1251年蒙哥即位，大蒙古國經過了十年的混亂時期。先是窩闊台之妻乃馬真攝政，1246年他們的長子貴由繼承汗位，即定宗，實際上還是乃馬真主事。兩年後貴由死於“西巡”途中，拖雷諸子與窩闊台的子孫們展開了激烈的汗位爭奪戰，直到蒙哥汗登上大汗之位。
拖雷和妻子唆魯忽帖尼有四個兒子：蒙哥汗、忽必烈、旭烈兀、阿裏不哥，從小就受到良好的教育和漢文化的影響——他們的母親很有心計，從中原請來名儒賢士講解治國之道，其中忽必烈受影響最深，漸漸悟到治理中原必須用漢文化的道理。蒙哥汗即位的當年，就任命忽必烈主持漠南地區的軍政事務。在十年混亂中，當初耶律楚材的治理措施，全被廢除了，中原人民重又陷入暴政之下，土地荒荒、人口流散、生產力受到極大的損害。
忽必烈主政中原後，苦心經營：選賢任能，清政去貪，勸農耕種……，逐漸理出頭緒，恢複了大部分生產力，將中原治理得井井有條，控製了中國北方大量的人力和雄厚的物力。
蒙古軍隊在對南宋作戰的初期，並不太順利，於是決定先征吐蕃（今青海東部等地），再攻大理（今雲南等地），然後包抄南宋，采用戰略大迂回的戰術。公元1252年六月，忽必烈率軍南征大理。蒙古鐵騎由北向南，不到半年時間就從今甘肅經青海、四川到達雲南；先後越過大流河、大雪山、金沙江等險絕之地，完成了中國古代軍事史上罕見的萬裏遠征創舉。第二年初，大理國滅亡，吐蕃也表示臣服，整個西南地區被蒙古軍隊控製，形成了對南宋王朝從南北兩麵夾攻的形勢。年底，忽必烈留大將兀良合台鎮守，自己返回北方。
南征的勝利和治理中原的成績顯示了忽必烈傑出的文治武功，他的聲望在漢族地主階級中日漸上升；許多豪強士紳紛紛靠攏忽必烈，願意接受他的統治。忽必烈的周圍聚集了一大批漢族文武人才，如劉秉忠、許衡、姚樞等文士，史天倪、張柔等武將。這些都為他進一步統治中原奠定了深厚的基礎。
但是，忽必烈采用漢法治理中原卻損害了蒙古貴族和西域商人的利益，他的聲望之大也曩了蒙哥汗的威信和皇權。經一些人的挑撥，蒙哥汗對忽必烈產生了猜忌，下令解除了忽必烈的兵權並派人調查他，形勢十分危急。關鍵時刻，忽必烈接受了姚樞的建議，不正麵抗爭，並且將妻子兒子送作人質，表明自己並無異圖，親自去向蒙哥汗當麵解釋。最終，蒙哥汗消除了疑慮，兄弟和好如初，忽必烈重新掌握了兵權。
公元1258年，蒙古大軍兵分三路全麵征伐南宋。
忽必烈在圍攻鄂州時得知蒙哥汗死訊，同時又聽說留守都城的弟弟阿裏不哥正準備繼承汗位，便要回軍與阿裏不哥爭奪大汗寶座。正好，這時南宋宰相賈似道請求割地賠款求和，忽必烈順水推舟，訂下和約，迅速率軍北返。
公元1260年三月，忽必烈在開平（今內蒙古多倫北）召集部分王公大臣集會，在他們的擁護下，搶先登上大汗之位。隨後，阿裏不哥在另一些王公大臣的擁戴下也宣布繼承蒙哥汗的汗位。這樣，大蒙古國同時有兩個可汗，他們既是親兄弟，又互相對立，並各有一部分皇族大臣的擁護，講理是講不清的，隻有靠武力來解決了。經過四年的內戰，忽必烈大獲全勝；眾叛親離、走投無路的阿裏不哥隻好率殘部到開平投降。