二年（公元1250年），经双方多次谈判，窝阔台与察合台子孙以汗位应属于窝阔台之后，仍拒不赴会。
君位久空，中外汹汹。三年（公元1251年）六月，拔都毅然宣布蒙哥为大汗。但失烈门及贵由二子不满，谋在宴会时，乘蒙哥等人酒醉之时，举兵袭之。蒙哥得知此一消息，即以兵围之，杀其党羽数十人，以失烈门等三人皆成吉思汗子孙，因而免死，令从军远征。继而迁窝阔台子孙于边地，杀海迷失后及失烈门之母。为时十年之争权斗争，暂告结束。
蒙哥即位后，鉴于十年来，纲纪败坏，朝政废弛，乃大力加以整顿，罢不急之役，政归于一，气象一新。但主要仍是从事战争，扩大疆域。
蒙哥深知宋长江防线不易突破，乃决定采用大迂回战略，先占领大理（今云南省）和吐蕃（今西藏）之地，再攻宋之后方。
宪宗二年（公元1252年）六月，蒙哥命皇弟忽必烈率军经略大理。并遣汪德臣将兵入蜀，为忽必烈进军打通道路。
三年（公元1253年）八月，忽必烈自临洮（属今甘肃省）进兵。十二月，破大理。继而忽必烈留兀良合台征服南方未平之地，自率军北归。兀良合台挥军入吐蕃。吐蕃惧而投降。后兀良合台又相继平大理五城八府四郡及三十七部落，并置郡县治之。
与进军西南之同时，蒙哥又命其弟旭烈兀西征波斯。史称为蒙古人第三次西征。
时波斯境内尚存木剌夷（伊斯兰什叶派之一，居今里海南岸。蒙古第一次西征时，曾降于蒙古，后复起）、报达（都于今巴格达）两国。
六年（公元1256年）十一月，木剌夷降。旭烈兀继征报达。八年（公元1258年）二月，报达亦降。次年，进兵叙利亚，占领其都城大马士革。至此波斯统一，始建蒙古伊儿汗国。
时征宋战争仍在继续。七年（公元1257年）十月，蒙哥督师三道南伐：一路（蒙哥军之路）自陇州（今陕西陇县）趋大散关（在今宝鸡县西南大散岭上）；一路自洋州（今洋县）趋米仓（在今南郑县南）；一路趋沔州（今略阳县）。另遣忽必烈南下攻鄂州（今湖北武昌），诏兀良合台入湖南，会兵于鄂。
次年十一月，蒙哥渡嘉陵江至白水（在今四川青川县东北），进围长宁山（在今剑阁县北）；得胜后，攻大获山（在今苍溪县东），宋军降。十二月，军至运山（在今营山县与蓬安县之间），继至青居山（在今南充县南），宋军亦降。
九年（公元1259年）正月，蒙哥命围合州（今合川县），受到宋军顽强抗击，屡攻不下。七月，又攻合州，蒙哥中箭于膝，伤发，死于钓鱼山（三面临江，今合川县城在其上）。在位九年，死时五十二岁。葬起辇谷。谥曰桓肃皇帝，庙号宪宗。
定宗时，群臣擅权，政出多门；蒙哥即位，大力加以整顿，政归于一。性沉断寡言，不喜宴饮，不好侈靡，虽后妃，亦不许违制。勤于政务，凡有诏旨，必亲起草，反复修改然后行之。对群臣管理甚严，曾曰：“尔辈每得朕奖谕之言，即志气骄逸。志气骄逸，而灾祸有不随至者乎？尔辈其戒之！”然喜打猎，尤酷信巫卜之术，凡行事必谨叩之，几无虚日。
世祖奇渥温忽必烈
太祖十年（公元1215年）八月二十九日生。成吉思汗之孙，睿宗拖雷第四子，宪宗蒙哥同母弟，母怯烈氏。及长，仁明英睿，事母至孝，尤善抚下。乃马真后称制三年（公元1244年），思大有为于天下，访求贤才，延藩府旧臣及四方文学之士于左右；请原金左右司郎中王鹗讲《孝经》、《书》、《易》及齐家、治国之道，古今事物之变，每至午夜方止。
宪宗元年（公元1251年），宪宗以其在同母弟中最长且贤，故命其总领漠南汉地军政事。次年六月，奉命征云南。三年（公元1253年）八月，自临洮（今甘肃今县）进兵。十月，过大渡河，行经山谷之地二千余里，进至今云南丽江纳西族自治县西北处，乘革囊和竹木筏渡金沙江。十二月，破大理都城（今大理县）。同月，留大将兀良合台继续征服南方未平之地，自率中、东两路军班师。四年（公元1254年）正月，还京兆（今陕西西安市），教民耕植。
七年（公元1257年），蒙古分道伐宋，宪宗入蜀，忽必烈南下取鄂（今湖北武昌）。九年（公元1259年）七月，宪宗暴死钓鱼山（在今四川合川县）。九月，忽必烈闻宪宗死，曰：“吾奉命南来，岂可无功遽还！”仍渡江围鄂州。
闰十一月，忽必烈得知其弟阿里不哥密谋继位，遂召群臣腐议。谋士郝经力主与宋议和，迎宪宗灵舆，收皇帝玺，北上争位。忽必烈从之。时，宋丞相贾似道亦密遣使请和，愿以长江为界，且岁奉银、绢各二十万。忽必烈许之，引军北还。
十年（公元1260年）三月，至开平（在今内蒙古多伦县北）。诸王及其左右劝其在开平即位，勿往和林（故址在今蒙古人民共和国哈尔和林）召开忽里勒台（蒙古选汗大会）。忽必烈从之，遂即大汗位，时年四十五。并遣使至临安与和林，告以即位之事。阿里不哥不服，在和林宣布为大汗，并调兵遣将，入据关陇。远处于金山（即阿尔泰山）之阳、天山之阴之海都，自以为乃太宗之嫡孙而未能继位，亦不服，遂附阿里不哥。
内乱成为忽必烈新政权之主要威胁。虽有宋潼川安抚副使刘整来降，而尽知宋虚实之有利条件，也不得不将灭宋之雄图暂时弃之一旁，而将主要精力对付叛乱。
在平定关陇之后，忽必烈亲自讨伐阿里不哥。中统二年（公元1261年）十一月，两军战于和林南戈壁边界附近，阿里不哥军败北走。
阿里不哥刚被击败，江淮大都督李璮自以为城坚兵强，乘内乱之机，于次年二月，在济南、益都发动叛乱，以涟海诸城归宋。三月，忽必烈派兵讨伐，七月，擒璮，山东复为忽必烈所有。
至元元年（公元互264年）七月，阿里不哥在走投无路之情况下，归顺于忽必烈。
内乱既平，八月，遂定都于燕（今北京市），改称中都，（后改为大都），并决意伐宋。
四年（公元1267年）十一月，征诸路大军，采取中央突破战略，先攻襄阳（属今湖北省）。五年（公元1268年）九月，围襄阳，但遭到宋守军之坚决抗击而久攻不下。
八年（公元1271年）十一月，采纳太保刘秉忠之建议，取《易经》中“大哉乾元”之文义，定国号曰“大元”。此乃我国以文义为国号之始。在此之前，历代所用国号皆源于当初封地之名。之后，即向宋展开全面军事进攻。
九年（公元1272年）十一月，大将阿里海牙献破襄阳之计，曰：“襄阳之有樊城，犹齿之有唇也。宜先攻樊城，断其声援。樊城下，则襄阳可不攻而得。”忽必烈深以为然。次年正月，元军先以火炮攻城，旋毁断两城间之浮桥，襄兵不能救，樊城遂破。而襄阳至此，更加困难，外无援兵，内缺粮草，撤屋为薪。二月，元军转攻襄阳，一炮中其谯楼，声震如雷，城中汹汹，宋军遂降。
元军既取襄、樊，遂乘胜取鄂州，十一年（公元1274年）十二月，陷之。旋挥军东下，宋沿江州郡望风而降。次年三月，攻入建康（今江苏南京市）。七月，大败宋军于焦山（在今镇江东北之江中）。十月，元军三路攻临安。十三年（公元1276年）正月，谢太后请降，宋益王赵昰、广王赵昺出逃。三月，元军俘宋帝、谢太后北上。并遣兵追捕二王。五月，昰即位，是为宋端宗。十四年（公元1277年）二月，忽必烈因昔里吉（宪宗之子）叛走和林，与海都合势，乃急命在东南诸将班师。
九月，昔里吉之叛乱被平，忽必烈复遣军追捕宋君臣，追至井澳（在今广东中山县南海中横琴山下炙宋君臣先走谢女峡（在中山县南海中），后迁碙洲（今吴川县南硇渊岛）。
十五年（公元1278年）四月，宋端宗死，赵昺继位。忽必烈为防宋之残余死灰复燃，复命追击。次年，在元军进攻下，宋大臣陆秀夫知大势已去，乃负昺投海而死，南宋遂亡。中国自唐末以后分裂割据之局面复归于统一。
十七年（公元1280年）二月，日本杀元使者杜世忠（公元1275年出使）。八月，忽必烈命中书丞范文虎等率军泛海东征。次年八月，至平壶岛（似为今日本九州之鹰岛），遇飓风，败舟，诸将弃士卒十余万于五龙山，争先逃往坚舰。日本得知，尽杀蒙古、高丽、汉人（辽金统治之人）；谓新附军（宋朝统治之人，或谓南人）为唐人，不杀而奴之。得逃还者三人而已。
二十四年（公元1287年）四月，亲王乃颜（成吉思汗弟斡赤斤之后裔）反于东北，诸王纳芽等应之，西北之海都许以十万人相助。忽必烈采取分化瓦解之策略，先安抚诸王，然后亲征乃颜。六月，乃颜于大兴安岭东被俘处死，辽东之乱遂平。但海都仍屡犯边，败则远遁，不备复来，忽必烈虽多次亲征，但未能彻底消灭。
三十一年（公元1294年）正月二十二日，忽必烈死于紫檀殿。在位三十五年，死年八十。葬于起辇谷。五月，谥曰圣德神功文武皇帝，庙号世祖，蒙古语尊称薛禅皇帝。
忽必烈是继成吉思汗之后，蒙古族又一杰出人物。在位期间，消灭南宋，平定内乱，完成统一大业；以前代典章为依据，建立行政、军事、赋税等制度，其中行省制影响尤为深远；注意兴修水利，发展农业；实行钞法（纸币），发展交通，以利商贾；平定米价，救济贫困；创蒙古新字，其字凡千余。
必烈之所以有如此成就，其原因：
一、敢于用人。至元二年（公元1265年）八月，以安图为中书右丞相。安图时年二十一岁。宋潼川安抚副使刘整来降，忽必烈委以重任。宋为离间其与元朝关系，于九年（公元1272年）十一月，授整节度使，封燕郡王，造僧人持告身（委任书）、金印、牙符（奖牌）及书信告之。事觉，整见忽必烈曰：“此宋人患臣用兵襄阳，欲以此杀臣耳。”忽必烈信之，赏整，杀僧人。二十三年（公元1286年），忽必烈拟用程文海，谏官言文海南人，且年少，不可用。忽必烈大怒曰：“汝未用南人，何以知南人不可用？自今省、部、台、院，必参用南人。”遂拜文海侍御史，并求贤于江南。
二、尚能改错。自十八年（公元1281年），征日失败后，拟再征日本，在群臣多次规劝下，终于罢征。在位期间，曾错用阿合马、卢世荣、桑哥为相，待知其罪，即能正之。
三、重视汉文化。修建孔庙，命从臣录《诗经》、《论语》、《孟子》，常听读《资治通鉴》，虽在军中，亦未中断。尤喜孟子性善、义利、仁暴之说，对其影响甚大。每出征，令军士不得擅入民家，违者以军法从事，并规定凡俘获悉纵之；常以“曹彬（北宋初大将）下江南，不杀一人”之事，告诫部下；对宋宗室，亦采取安抚政策。喜汉书法，现尚存其至元三年墨迹一件。
然所施行之种族政策严峻，分蒙古人、色目人（西域人）、汉人、南人。各类待遇不同，以蒙古人最优，色目人次之，汉人、南人又次之。加之搜括太甚，纸币贬值，故民怨沸腾，纷起反抗。
成宗奇渥温铁穆耳
至元二年（公元1265年）九月五日生。世祖之孙，真金（公元1286年死）第三子，母弘吉剌氏，名伯蓝也怯赤，又名阔阔真。
铁穆耳有才勇，善词令，宽厚贤明，仁孝恭俭，深得人望。二十五年（公元1288年），奉命平辽东诸王叛乱，大败哈丹（成吉思汗弟哈准之孙）。三十年（公元1293年）六月，受皇太子宝，抚军北边，以扼海都之乱。
三十一年（公元1294年）正月，世祖死。知枢密院事伯颜受遗诏，立其为帝，并发使告之。四层，铁穆耳自北边南还至上都（即开平，在今内蒙古多伦县）。御史中丞崔彧先得玉玺（历代传国之宝）于故臣之家，受是授予铁穆耳。宗亲劝进，诸王中亦有反对者，伯颜握剑立于殿台阶之上，陈祖宗之训（蒙古族传贤不传嫡），宣世祖之遗命，述所立之由，辞色俱厉，诸王股栗，趋殿下拜，铁穆耳遂即位。
铁穆耳不但善于守成，更以幼年，习于军旅，长于戎阵，恶诸王之叛乱。即位后，首整边防，誓平海都、笃睦（察合台汗国十任汗）之乱。
大德元年（公元1297年），铁穆耳经三年准备，由消极防御，转为派大将床兀儿主动进剿。床兀儿在大败笃哇之后，速率诸军越金山（阿尔泰山），破海都兵于巴邻（约在今新疆北端福海县与青河县之间），尽得其人马庐帐。二年（公元1298年），又败笃哇于合剌哈达（和林西南瀚海中）。
海都，笃哇失败之后，经过整顿恢复，于五年（公元1301年），复卷土重来，越金山，逼和林，两军战于帖坚古山（在今蒙古人民共和国哈尔和林西）。笃哇中箭号哭而逃，其兵几尽；海都负伤，死于回军途中。
笃哇见大势已去，与诸王议曰：“昔我太祖，艰难以成帝业，奄有天下，我子孙乃弗克靖共以安享其成，连年构兵以相残杀，是自隳祖宗之业也。今抚军镇边者，皆世祖之嫡孙也，吾与谁争哉！”乃于七年（公元1303年），归命铁穆耳。自是诸王叛者相继来降，三十年来成吉思汗子孙自相残杀之局面，暂告结束。
在此期间，铁穆耳还用兵西南，征八百媳妇（故地在今缅甸掸邦东部，西至萨尔温江，东至湄公河），结果丧师十之八九，激起西南少数民族起义，弃地千里。
铁穆耳频年用兵，国力消耗甚大，加之，即位后，常以金银赏赐诸王、公主、驸马、勋臣，致府库空虚，国之威势，已大不如世祖之时。
铁穆耳晚年多病，朝政之事，内则决于皇后，外则委于大臣，因之国事日非，危机四伏。
十一年（公元1307年）正月八日，死于玉德殿。在位十四年，死时四十三岁。葬起辇谷，谥曰钦明广孝皇帝，庙号成宗。蒙古语曰完泽笃（意为有福）皇帝。
武宗奇渥温海山
至元十八年（公元1281年）七月十九日生。顺宗答剌麻八拉（忽必烈之孙）之长子，母弘吉剌氏，名答吉。
大德三年（公元1299年），成宗以宁远王阔阔出（世祖第八子）总兵北边，怠于守备，乃以海山代之。五年（公元1301年）八月，海山败海都于帖坚古山。越二日，海都倾巢来犯，官军被围，海山挥军力战，突出敌阵，全军得还。
八年（公元1304年）十月，封为怀宁王。十年（公元1306年），越金山，追击海都之子察八儿，尽俘获其家属营帐，察八儿逃往察合台汗国。
十一年（公元1307年）正月，成宗死（成宗一子，已死），又发生帝位之争。左丞相阿忽台等与皇后伯要真氏合谋，拟立安西王阿难答（世祖三子蒙哥剌之子，成宗堂弟），皇后垂帘听政。
右丞相哈剌哈孙素与阿忽台不和，乃急报海山及其弟爱育黎拔力八达。二月，爱育黎拔力八达至大都，计擒安西王，诛阿忽台等。
五月，海山至上都，爱育黎拔力八达亦至，遂杀皇后及安西王。二十一日，海山即皇帝位。
即位后，为防止诸王合谋反叛（察八儿诸王之在边境者，素无改过之心），至大元年（公元1308年），接受太师月赤察儿建议，先安抚笃哇之子库春，然后进军攻察八儿。察八儿果逃奔库春，库春不纳，被迫归顺朝廷。