在清查西藏戶口的基礎上蒙哥依照在其他征服地區的先例對西藏地區也實行了分封，將止貢劃歸自己、察巴分給忽必烈、迦薩分給闊端、噶瑪分給阿裏不哥，旭烈兀則得到了帕竹派地區。
忽必烈受命征雲南。夏，駐軍六盤山，遣使涼州迎請薩迦·班智達。八思巴與闊端子蒙哥都至六盤山會見忽必烈。忽必烈留下八思巴，與之結成施主和福田關係。這是八思巴與忽必烈的第一次會見，它對八思巴的一生產生了重大影響，為薩迦派與元朝統治者的合作奠定了基礎。
當時，忽必烈的軍營中已經有一些本封地的察巴噶舉派僧人。但是，他們知名度不高，影響不大。當時，南宋軍隊在邊界上堅壁清野，對忽必烈自臨洮進軍四川不利，他決定取道甘、青、川藏區，對南宋實行戰略包抄。為了順利地通過藏區，他需要一位威望高、影響大的藏族上層人士的協助。於是他邀請在涼州的薩迦派教主八思巴和噶瑪噶舉派教主噶瑪拔希到軍營中會見。
八思巴大約在該年冬天至忽必烈軍營，向忽必烈介紹了西藏的曆史、宗教情況。在王妃察必的鼓勵下，忽必烈開始接受佛教。
憲宗三年（1253）新年，忽必烈接受了薩迦派的密法灌頂，在察必的支持和調停下，與八思巴結成了施主與上師的關係。而噶瑪拔希卻遲遲未到。
在忽必烈南伐大理時，八思巴在涼州主持了其伯父薩迦·班智達靈塔開光儀式。當忽必烈自雲南北返時，他再一次到軍營中會見其施主，並追隨忽必烈到達漢地。忽必烈對年輕的薩迦派教主八思巴遠道來投十分重視，“頒給八思巴一份稱為‘藏文詔書’（紮撒博益瑪）的文書，肯定八思巴作為他的宗教上師地位，重申自己皈依佛法，擔任佛教的施主”。
憲宗四年（1254）夏，八思巴前往朵甘思（指今西藏那曲專區東部、昌都專區北部、四川甘孜藏族自治州北部、青海玉樹藏族自治州一帶地區），可能為迎請傳戒上師和宣諭藏文詔書。不久，又返回忽必烈營地，並見到了忽必烈自大理帶回的佛牙舍利。
憲宗五年（1255）新年，八思巴向忽必烈敬獻《新年吉祥祝辭》，稱忽必烈為“尊勝人主”，祝願他“勝於各方”。至此，忽必烈與八思巴之間特殊的宗教與政治關係正式確立。同年噶瑪拔希也曾晉見忽必烈，但他拒絕了忽必烈請他長期留在身邊的要求，並轉而到漠北投靠蒙哥和阿裏不哥。後來，在阿裏不哥與忽必烈爭奪汗位之際，他因涉嫌支持阿裏不哥受到了忽必烈的懲罰，從而失去了依靠最高統治者發展本派勢力的機會，八思巴便成為忽必烈身邊唯一重要的西藏宗教和政治勢力的代表。
這一年夏天，八思巴到河州（今甘肅省臨夏回族自治州臨夏縣）接受比丘戒，完成了成為一名正式佛教僧侶的全部儀式，然後又返回忽必烈營帳。
憲宗七年（1257），忽必烈與蒙哥兄弟間矛盾公開化，忽必烈被解除了兵權，不能參加對宋戰爭；阿蘭答兒、劉太平等開始檢查陝西、河南錢穀出入，忽必烈處境困難。為了趨吉避凶，忽必烈需要宗教保佑，二月，八思巴為他舉行了稱為“燒施”的宗教活動，三月，寫了《五天女讚》，為忽必烈禳災祈福。夏季，八思巴朝拜佛教四大名山之一的五台山，以一個佛教徒的眼光，寫詩讚頌五台，在西藏佛教界影響甚大。冬，忽必烈親自朝見蒙哥，兄弟釋嫌，重歸於好，忽必烈處境改善，八思巴的地位也相應提高。
憲宗八年（1258）春夏之交，忽必烈受蒙哥之托，在開平主持釋道兩教關於《老子化胡經》真偽的辯論大會，除漢地儒生、道士、佛教僧人外，還有吐蕃、河西、大理等地僧人參加，八思巴也參加了這一“彙集了當時大半個中國的釋、道、儒三家精英的學術大會”。他以自己廣博的知識、雄辯的口才，向道士問難並使之辭窮，從而使佛教理論在這次辯論中戰勝了道教，道士十七人依約被罰削發為僧。這場辯論對忽必烈尊崇佛教無疑也產生了重大影響。自1254年到1260年，八思巴多數時間在忽必烈軍營或王府，從事佛教理論的研習修持，為忽必烈及其諸妃、諸子祈福禳災。當忽必烈自湖北返回燕京時，他也自開平到達那裏。
顯然，他也是忽必烈爭奪最高統治權的支持者之一。
中統元年（1260），元世祖忽必烈尊八思巴為“國師”，“授以玉印，統釋教”。至元六年（1269），八思巴獻上所創新字（八思巴蒙古文），七年（1270），忽必烈再次請求八思巴向他傳授灌頂時，改玉印為帝師印，又封八思巴為“皇天之下，大地之上，梵天佛子，化身佛陀，創製文字，護持國政，五明班智達帝師”。
帝師是皇帝和皇室成員的老師和精神支柱，也是全國佛教僧人的領袖，位在諸王之上。帝師嗣位，要賜封詔玉印，宣諭天下；新君即位，要對帝師降詔褒獎；頒發給帝師的詔書為專用的“珠詔”，帝師至京師，用皇帝出行儀仗之半為前導，百官郊迎。