忽必烈時期，文化科學都得到了很好的發展，為元廷服務、屬於欽察汗國地區就有很多著名的將領和科學家，其中影響最大的就是土土哈和不忽木等人。
土土哈（1237年-1297年）屬於欽察人，班都察的兒子。拔都西征時，班都察曾經向蒙古投降，後來又投奔到忽必烈的帳下，隨後便跟隨著忽必烈征伐大理和南宋。到了中統元年（1260年），土土哈也加入了忽必烈的大軍，與其父親跟隨忽必烈征討阿裏不哥，並在戰爭中立下大功，父親死後，土土哈便承襲父職做為了循衛哈刺赤長。到了元十四年（1277年），海都叛亂時，土土哈率領著欽察軍從伯顏北征，在追擊脫脫木兒及昔裏吉時，立有戰功，得到大量賞賜。後來，被提升為樞密副使兼欽察親軍衛都指揮使，得到自任族人為官屬的特權。又在平定乃顏、哈丹叛亂和抵禦海都等西北諸王叛亂鬥爭中立下汗馬功勞，受到忽必烈讚揚。
不忽木（1255年-1300年）出身於西域康裏貴族家庭。“康裏，即漢高車國也”。高車，也稱丁零，魏晉以後稱敕勒、鐵勒等，南北朝時為突厥所並，隋時發展為回紇，在反抗突厥的鬥爭中不斷發展壯大起來。唐德宗時改稱為回鶻，元朝時大部分發展為畏兀兒，其中一部為康裏。據陳垣先生考證，康裏在畏兀兒西北，為成吉思汗長子術赤所封之地，即屬於欽察汗國之人。不忽木的祖父海藍伯和父親燕真均為成吉思汗所俘，燕真被賜給莊聖皇後（即忽必烈母唆魯禾帖尼）撫養，後來送給忽必烈為侍從。因此，不忽木得以留在忽必烈身邊。並給事太子真金之東宮，從學於大儒王恂、許衡等，成為儒家思想的忠實信徒。忽必烈晚年提拔為中書平章政事，為忽必烈晚年的政治穩定作出了重要貢獻。
欽察汗國地處歐亞北路交通要衝，歐洲商人和使節大多取道欽察汗國來元朝，他們走這條路雖然比較艱難，但很安全。元人前往歐洲，也有不少人通過欽察汗國。也有的商人先將貨物運到欽察汗國，再轉運到元朝；元朝商人也將貨物運到欽察汗國，再轉運到歐洲等地。因此，欽察汗國的首都薩萊成為溝通東西的國際性都市，輸入產品極多，且成為東西方交往的中轉站。欽察汗國在溝通歐亞交通，促進歐亞政治、經濟和文化交流方麵，作出了重要貢獻。
伊利汗國是忽必烈的三弟旭烈兀建立的。1252年，蒙哥汗派遣旭烈兀率軍進行第三次西征，旭烈兀在成吉思汗和窩闊台汗時期占領波斯大部分領土的基礎上，攻陷報達（今伊拉克巴格達），滅掉黑衣大食（阿拉伯帝國阿拔斯王朝），又分兵攻入敘利亞等地。蒙哥死後，忽必烈與阿裏不哥開始爭奪汗位，忽必烈為了取得旭烈兀等人的支持，派人告知旭烈兀道：“各地區有叛亂，從質渾河（阿母河）岸到密昔兒埃及）的大門，蒙古軍隊和大食人地區。應由你旭烈兀掌管，你要好好防守，以博取我們祖先的美名”。正式答應將阿母河以西直至埃及邊境的波斯地區的蒙古、大食等軍民劃歸旭烈兀統治，正式建立了伊利汗國。伊利是突厥語“從屬”之意。旭烈兀以“伊利”為汗國名稱，表示他願意從屬於大汗忽必烈。確實，在所有的宗藩之國中，伊利汗國與元朝的關係最為密切，在忽必烈與阿裏不哥、北方諸王鬥爭中，伊利汗都站在忽必烈一邊。
旭烈兀以後，伊利汗國的汗王即位，都必須接受元朝冊命方為生效。《史集》記載，旭烈兀以後，諸王和大臣們一致擁護旭烈兀的長子阿八哈繼承汗位，阿八哈說：“忽必烈汗是長房，怎能不經他的詔賜就登臨汗位呢？”後在諸王和大臣們的強烈擁戴下，阿八哈表示同意繼承汗位，但要權攝國政，同時遣使向忽必烈報喪，請求忽必烈冊命他為汗。“在忽必烈合罕陛下的急使送來以他合罕名義頒發的璽書前，他端坐在椅子上治理國家”，始終不坐大汗之寶位。直到至元七年（1270年），忽必烈派來使者“帶來了賜給阿八哈汗的詔旨、王冠、禮物，讓他繼承自己的父親成為伊利地區的汗，沿著父祖的道路前進”，才“第二次登上汗位”，正式舉行即位大典，“照例舉行了歡慶儀式”。此後，伊利汗接受元朝大汗冊命，正式形成為製度。
忽必烈在冊命伊利汗即位同時，頒授給伊利汗印璽作為權力的象征，忽必烈先後賜給伊利汗的印璽有“輔國安民之寶”和“王府定國理民之寶”等。現存1279年阿八哈汗頒發的一張敕令上，蓋有漢字“輔國安民之寶”方印，就是忽必烈頒賜給阿八哈的汗印。當時規定，在伊利汗頒發的詔敕、國書中，都必須把元朝大汗列在他的前麵，如至元二十六年（1289年），伊利汗國阿魯渾汗給法國國王菲力四世的國書中，開頭便寫“長生天氣力裏，大汗福蔭裏，阿魯渾諭法朗國國王”。伊利汗的鑄幣上，也把元朝大汗之名列在旭烈兀之前，其上阿拉伯文日：“最大可汗、伊兒汗大旭烈兀”。這一切，都充分說明元朝與伊利汗國的關係是一種宗藩關係。元朝與伊利汗國的關係始終十分密切。官吏任用也常常互相交換。比如，阿八哈汗曾經派遣伯顏人元廷奏事，忽必烈見伯顏體貌雄偉。奏事清楚機敏，非常喜歡，便留在自己的身邊，後來任為滅宋統帥及丞相、樞密院長官等，成為忽必烈一朝最為顯赫的人物之一。忽必烈也曾派遣撒兒塔與奧都刺合蠻等出使伊利汗國，鉤考他在伊利汗國的屬民與分戶應繳的財物。至元二十年（1283年），忽必烈又派遣丞相孛羅和拂林人愛薛出使伊利汗國，愛薛充當翻譯。兩人到達伊利汗國，見到阿魯渾汗，深受阿魯渾汗器重，阿魯渾汗於是奏請忽必烈，把孛羅留下作為自己的丞相。從此，孛羅丞相定居伊利汗國，相繼輔佐阿魯渾、亦鄰真朵兒隻（海合都）、拜都、合讚、合兒班答（完者都）等人治國，為伊利汗國的發展作出了重要貢獻。
忽必烈與伊利汗國交往頻繁，促進了雙方政治、經濟和文化的交往與發展。據周良霄等人研究，元朝的政治、經濟和文化製度對伊利汗國影響很大，其汗廷的組織與製度，幾乎完全同於蒙古汗廷，選汗的忽裏台製度、汗的即位儀式等都沿襲蒙古製度，與元朝一模一樣。伊利汗國定都桃裏寺（今伊朗阿塞拜疆大不裏士），以蔑刺哈為陪都，亦仿效忽必烈實行冬夏兩都巡幸製度。此外，陵墓的禁地設置、後妃的守宮繼位、宗王出鎮與分封製度、四怯薛製度、達魯花赤製度、驛傳牌符製度、崇信佛教及對各種思想兼容並蓄政策、軍戶的份地采邑製度、斡脫製度以及風俗方麵的妻後母、兄死妻嫂、飲金屑酒宣誓、薩滿占卜等，都幾乎與忽必烈時期的元朝一模一樣。伊利汗國還將忽必烈所行鈔法搬移過來，也采用雕版印刷紙鈔，發行全國。伊利汗國發行的紙鈔完全仿照元朝至元鈔，長方形，上麵也有漢文“鈔”字，四周紋飾照樣刻印，不過多了阿拉伯文的頒發年份而已。鈔麵價值從半個迪爾漢到十個第納爾不等。這是在遼宋金元以外的世界上第一次發行紙鈔，具有重要意義。
忽必烈在將元朝政治、經濟和文化傳播到伊利汗國的同時，也大量吸收了伊利汗國的科技和文化。早在忽必烈出兵滅宋時，就曾遣使向阿八哈汗征用炮匠，阿八哈汗即遣回回炮手阿老瓦丁、亦思馬因等赴元朝應命，將回回炮技術傳入元朝。伊利汗國的天文學有一定的成就，忽必烈讓來自敘利亞西部操阿拉伯語的拂林人愛薛掌管西域星曆和醫藥二司，開始將回回天文曆算介紹到元朝。接著，西域天文學家劄馬魯丁根據回回天文學撰成《萬年曆》進獻忽必烈。後來，郭守敬創製《授時曆》時，大量吸收伊利汗國的天文學知識。忽必烈在恒星觀測方麵開始編製星表，主要是學習撒馬爾罕和馬拉格天文台的經驗而後才實行的。郭守敬改革和設計的十三架天文儀器，在數量上與馬拉格天文台相仿，功用也大體相同，其中簡儀尤其有名，實際上是在學習馬拉格天文台的黃赤道轉換儀而後製成的，由於青出於藍而勝於藍，故稱簡儀。伊利汗國的醫藥學也頗為有名，當時大量傳入元朝，為元朝醫藥學的發展輸入了新鮮血液。
總之，在忽必烈時期，有大量的伊利汗國境內的波斯、阿拉伯等各族人人元做官，經商、行醫和從事各種手工業等，也有不少漢族官員、文人、工匠和商人等留居伊利汗國，雙方往來如同一家，經濟文化交流發展到前所未有的程度，對促進雙方政治、經濟和文化的發展做出了重要貢獻。
此外，伊利汗國地當歐亞南路交通要衝，通過伊利汗國境內的傳統的“絲綢之路”以及從波斯灣到泉州、廣州的海路都十分活躍。忽必烈曾經派遣紮木嗬押失寒、崔杓持金十萬兩，通過伊利汗阿八哈市藥於獅子國（今斯裏蘭卡）。又曾經頒給列班-掃馬和馬忽思二人鋪馬聖旨，允許他們赴耶路撒冷朝聖。列班·掃馬通過伊利汗國出使羅馬教廷和英法等國，加強了中國和西方各國的往來。忽必烈通過伊利汗國，確實為中西方的發展及其政治、經濟和文化交流作出了不可磨滅的貢獻。
高麗是918年由王建建立的政權，都城開京（今朝鮮開城）。高麗政權建立以後，先後滅掉新羅和百濟，統一了朝鮮半島。當蒙古軍隊進入中原滅金取宋時，高麗處於高宗王統治時期（1214年-1259年）。
元太祖十年（1215年），成吉思汗攻占了金朝首都中都（今北京），十一年，一部分反蒙契丹武裝逃至高麗，攻取江東城而據之。元太祖十三年（1218年），成吉思汗為了消滅這支反蒙武裝，派遣哈隻吉、劄刺等率領軍隊進入高麗，哈隻吉請求高麗出糧出兵援助，於是，蒙古和高麗聯合鎮壓了這支契丹武裝。事後，哈隻吉曾表示，願意和高麗結為兄弟之邦。
但成吉思汗不願意高麗與他們平起平坐，令高麗為臣下之國，並派遣使者催督高麗向蒙古繳納歲貢，因此，引起蒙古和高麗的連年戰爭。
當時的高麗哪裏是蒙古的對手，高麗國王王燕隻好將世子即王儲，相當於漢人的太子）王典派到蒙古作人質，以換取暫時的和平。
中統元年（1260年）年，忽必烈即位，正值高麗國王王兀亡。陝西宣撫使廉希憲向忽必烈建議說，高麗國王王曾遣其世子王供入覲以為人質，如今已經三年了。現在王已死，如果乘機禮送王倎歸國，幫助他繼承王位，王供“必懷德於我，是不煩兵而得一國也”。忽必烈聽了，覺得很有道理，於是決定改變以前對高麗的征討政策，實行挾植馴順國王的招撫政策。忽必烈盛禮款待王倎，派兵護送歸國，幫助王倎繼承了高麗國王之位，是為高麗元宗。