1271年，忽必烈采刘秉忠建议，以《易经》“大哉乾元”改国号为大元，次年定都北京。此举标志大蒙古国转型为中原王朝，忽必烈称元世祖，尊成吉思汗为元太祖。

成为中原皇帝后，统一中国势在必行。当时，全国大部已归大元，仅南宋尚存。

蒙古军队曾遭南宋军民顽强抵抗，进展缓慢。1273年，元军攻克襄阳，成为战争转折，南宋难以抵挡元军。此后，元军顺江东进南下，汉人向导引路，势如破竹。

攻宋之际，忽必烈暂停南下，转向日本。1268年后，他多次要求日本称臣，初无回应，后遭镰仓幕府北条时宗拒绝。北条氏轻视蒙古，回信称“蒙古名号，闻所未闻”。

忽必烈见状，决定以暴制暴。1274年，他派遣由蒙古与高丽士兵构成的元军，共计4万人、900艘船，东征日本。

元军初战告捷，攻占对马、壹岐岛，于北九州博多湾登陆。日本武士擅长单挑，而元军善用火器，步兵方阵冲锋。日本人大惊，遭元军箭矢与震天雷攻击，大败，退至太宰府。

元军因成分复杂难以齐心，且高丽所造战船粗劣。遭日军民顽强抵抗后，夜间台风来袭，三分之一战船被毁，损失重大，元朝首次东征日本失败。

攻打日本未果后，忽必烈转攻南宋。1276年，元军破临安，宋恭帝与谢太后降。陆秀夫等拥新帝流亡沿海抵抗。元军海陆追击，切断南宋残余势力退路。

1279年，元军在崖山海战击败南宋水军，陆秀夫携8岁宋帝赵昺投海自尽，南宋灭亡。元朝实现中国大一统，终结了五代十国以来近400年的分裂。

统一中国后，忽必烈复遣使至日本，要求称臣纳贡。日本因前战小胜，更加轻视蒙古，杀元朝使节。且日本已筑海垒，加强防御。

忽必烈1281年怒遣大军再征日本，共征14万人，含东路军4万与范文虎领江南军10万，配备战船4400艘。

此次元军复遇台风，船只多沉，且南宋降军消极应战。元军再次退兵，二次东征日本失败。日本人视此为神风护佑，称1281年台风为“神风”，二战时“神风特攻队”名源于此。

1281年，元朝在澎湖列岛设澎湖巡检司，管理台、澎事务，意图进取流求并东征日本。虽未实际控制流求（今台湾岛），但澎湖巡检司的设立标志着中国历史首次管理台湾的开始。

二征日本失败后，忽必烈转攻占婆。占婆新王不愿臣服，扣押元使。1282年，元遣5000兵、2500舰攻之。次年，元军占其首都，占婆王逃入深山，持续抵抗。

1284年，元朝复遣军征占婆，占其北部，未果。占婆王求援邻邦无果，遂遣使元朝谢罪朝贡，两国关系复常。至此，元朝攻占婆之役终。

元朝后展开海上远征，1285-1293年攻打安南，因借道被拒；1292-1293年远征爪哇，因拒贡。但因水土不服、不擅水战均败，显示元朝对外扩张已力不从心。

1281年起，元朝对缅甸蒲甘王朝发起系列攻击，占领部分领土。1287年元军虽遭缅军重创，但缅甸随后仍屈服进贡。经此打击，蒲甘王朝逐渐分裂并灭亡。

元朝征伐外域，国力受损而成果有限。1292年，察合台汗国占塔里木盆地大部。忽必烈虽派兵阻止其东扩，却未能收复失地，只能承认现状。

1294年，忽必烈逝世，元成宗铁穆耳继位。铁穆耳登基不久，窝阔台汗国与察合台汗国便频繁侵扰边境。

1297-1298年，元成宗遣大将床兀儿西征，重创海都及笃哇。1301年海都亡，1302年笃哇降。至此，成吉思汗子孙60余年的内斗暂告终结。

1300年，铁穆耳遣军征讨兰纳国，即八百媳妇，未果，反致西南地区少数民族起义，动荡绵延数年。1302年，元成宗含憾而终。

1308年，元武宗海山统治时，元军攻占库页岛骨嵬，将其并入版图。1310年，窝阔台汗国余地被察合台汗国与元朝分割殆尽。

元朝时，西南有兰纳国，亦称八百媳妇，在今泰国北部，由泰阮族建立，常联缅甸两国对抗元朝。元初讨伐失利后，屡对兰纳实施招抚。

1330年，兰纳归顺元朝并请置官守。次年，元朝设八百等处宣慰司都元帅府，兰纳成元朝土司。此外，元朝借麓川土司之力打击缅甸实皆王国，攻占多地。

元朝版图至此达极盛，西界天山，东至鲸海，北越贝加尔湖，南抵南海，总面积逾1400万平方公里，乃中国历朝之最。

元朝海上远征多败，显其扩张局限。对西北西南征伐积极，保边疆安全。行省制度虽粗放，却利多民族统一，后世沿用。