公元1260年1月4日，忽必烈率军抵达燕京，即今天的北.京市。他很快解散了脱里赤征集的民兵，让将要发生的内乱平息，使得“民心大悦”。
忽必烈率军在燕京近郊驻扎，度过整个冬天，并积极和诸王联络，准备在公元1260年春天召开库力台大会，举行登基大典。
公元1260年5月5日，忽必烈登基为大汗，成为蒙古帝国大汗。
忽必烈发布称帝的即位诏书《皇帝登宝位诏》，在诏书中，他自称为“朕”，称他的哥哥元宪宗蒙哥为“先皇”。
公元1260年6月29日，忽必烈发布《中统建元诏》，正式建年号“中统”。
公元1264年9月7日，忽必烈发布《至元改元诏》，取《 易经》“至哉坤元”之义，改“中统五年”为“至元元年”。公元1271年12月18日，忽必烈将国号由“大蒙古国”改为“ 大元”，从大蒙古国皇帝变为大元皇帝，大元国号正式出现，忽必烈成为元朝首任皇帝。
我们从忽必烈从《易经》中取国家的名号，可见他的文化水平，也可见他对汉文化的重视。
这一点，注定了他和他的先祖成吉思汗是有区别的，可以说，成吉思汗只是一个开疆扩土的屠夫，而忽必烈是个懂得治理国家的君主。
公元1263年五月，忽必烈升开平为上都，作为驻夏的纳钵。
第二年年八月，又下诏燕京仍改名为中都，作建都的准备。
公元1272年二月，采刘秉忠议，改中都为大都，宣布在此建都。
公元1273年，大都宫殿建成。
次年正月元旦，忽必烈在正殿接受朝贺。
元朝从此即定都在大都。
大都代替和林，成为元朝多民族国家的政治中心。至此以后，明、清两代，北京一直是国家的首都。
公元1274年，忽必烈命令屯戍高丽的凤州经略使忻都、高丽军民总管洪茶丘率兵15,000人，大小战船900艘出征日本。