蒙哥汗十年初，从蒙、宋前线匆匆北返的忽必烈抵达燕京。他解散了脱里赤征集的民兵，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，准备在次年春召开忽里勒台大会，举行登基大典。
这时，蒙哥汗亲征时留镇漠北的阿里不哥，也在积极准备继位的事情。阿里不哥分析，蒙古大部分宗王支持自己，而且自己占据首都和林，各方面形势都对自己有利。于是，派出使者通知忽必烈到和林参加忽里勒台，好逼迫他就范，再名正言顺地登上大汗宝座。
这一天，忽必烈得报阿里不哥派来一个万户和几位使臣，带着五只海冬青求见。海东青是一种良种猎鹰，传说中十万只神鹰才出一只海东青，蒙古人把它视作高级礼物。
他们被允许进见后，在忽必烈面前显得毕恭毕敬，说了许多奉承话，并极力邀请忽必烈北上。
忽必烈热情地接待了使者，要使者回报阿里不哥：召开忽里勒台，乃是大事，理当按时参加；无奈刚从鄂州归来，一路奔波，甚感疲劳，需要休整数日才行，希望阿里不哥推迟些日子。
忽必烈清楚地意识到，在阿里不哥鞭长莫及的情况下，自己在控制和调动进入汉地的蒙古军及汉军方面拥有莫大的优势和便利，因此，他不肯轻易离开经营多年的中原而贸然北上。双方间使臣穿梭，交涉不断，矛盾日趋激化。
四月，忽必烈拘禁阿里不哥派往燕京的心腹脱里赤，先发制人，在新筑成不久的开平城召集塔察儿等宗王大将，举行选汗大会。拥戴忽必烈最积极的宗王，是成吉思汗幼弟斡赤斤的孙子、在东道诸侯中居长的塔察儿。
塔察儿曾因攻宋无功而返，受到蒙哥汗的严厉训斥。早在事态还相当微妙时，忽必烈就派廉希宪到军前结欢于塔察儿，相约若至开平，首当推戴，无为他人所先。这为日后由塔察儿率先支持忽必烈，从而诱逼在场的其他宗室相继劝进安排了最关键的一着儿好棋。
这样，在忽必烈弟末哥、东道诸王塔察儿、哈萨尔之子移相哥、成吉思汗弟哈赤温子忽剌忽儿、成吉思汗弟别里古台的孙子爪都，窝阔台的儿子西道诸王合丹、察合台的儿子阿只吉等的拥戴下，忽必烈即汗位。一度滞留于汉地军中的蒙哥的儿子阿速台这时已北投阿里不哥，没有与会。
此后，忽必烈再也不曾召开忽里勒台大会。忽必烈即汗位以后，效仿中原的皇帝世袭逐渐成为正统，召开忽里勒台大会推举大汗这个由成吉思汗开创的蒙古国早期的继位传统逐渐淡出历史舞台。
忽必烈即汗位后，首先任命亲信祃祃、赵璧、董文炳为燕京路宣慰使，以加强对华北的统治。四月，忽必烈设立中书省，总管内外百司之政，任命山东军阀李璮的幕僚王文统为平章政事，张文谦为左丞。又任命八春、廉希宪、商挺为陕西四川等路宣抚使，粘合南合、张易为西京等处宣抚使。
忽必烈即位后，采纳僧子聪等幕僚的建策，依据汉人封建王朝的传统，颁布即位诏，称皇帝，即元世祖。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“朕”，称他的哥哥元宪宗蒙哥为“先皇”。
自成吉思汗建立蒙古国家以来，从未建立年号。忽必烈始建元“中统”，他在诏书中说：
稽列圣之洪规，讲前代之定制。建元表岁，示人君万世之传。纪时书王，见天下一家之义。法《春秋》之正始，体大《易》之乾元。
忽必烈以此表明自己是中原封建王朝的继承人。接着，忽必烈命亲信官员分任十路宣抚使、副使，其中大多是他的汉人幕僚。
七月，改燕京路宣慰司为行中书省，以祃祃为丞相，赵璧为平章政事，张易为参知政事，与平章政事王文统同行中书省事于燕京。八月，又立秦蜀行中书省，以廉希宪为中书右丞，行省事。
与此同时，忽必烈巩固了在中原的统治，命诸路输马匹、粮草于开平，以备与阿里不哥一战。忽必烈毫不迟疑地着手征调和组编忠于他个人的精锐部队，用以保卫大汗、戍守北方各地，尤其是燕京、开平一线心腹地区。
由于蒙哥的怯薛大军在扶柩北归后大部滞留于漠北，忽必烈便在怯薛宿卫的基础上迅速扩充、重建大汗的怯薛部队。此外他还多次征集各地兵员，很快组建起拱卫京畿的侍卫亲军。
统领侍卫亲军的，是多年跟随他出生入死的亲信董文炳等将领。立国之初，情况危急，一时又来不及调兵。为了防范阿里不哥，朝廷亟命诸路购买良马万匹送开平府，诏燕京、西京、北京三路宣抚司运米十万石至漠南沿线，很快完成了扼守大漠南缘、伺机渡漠远征的战前部署。
为了集中力量首先征服阿里不哥，忽必烈在中统头两年对南宋的背约行为也采取极为克制的态度。他虽在蒙宋交界线置江淮、江汉两大都督：东有李璮，开府益都；西有史权，开府邓州，与宋扬州、襄阳两别帅对峙。但他的意图只在镇边，并不急于攻宋。
信使郝经被拘，不过遣官诘问而已。宋私商违禁越境买卖，忽必烈下诏宥之，还其货，听榷场贸易。甚至当南边将士求战心切，皆以举兵南伐为请时，忽必烈也只是下一纸诏文，虚称应待秋高马肥，水陆分道而进，以为问罪之举，借此慰抚军心。
按照蒙古传统惯例，选汗的忽里勒台应在鄂嫩河、克鲁伦河之地举行，而且必须有各系宗王参加。忽必烈在汉地自行集会选汗，显然与传统不合。
正当阿里不哥兴致勃勃地坐等当上大汗之时，得悉忽必烈已在开平即位，气得七窍生烟。忽必烈在漠南抢先即位，完全打乱了阿里不哥的预谋。
忽必烈自立为汗后，阿里不哥只得于同年夏季在阿勒泰山中匆匆忙忙地召集留守漠北份地的诸王宗亲，举行大会，并在会上被拥立为大汗。
这样就出现了两大汗相抗衡的局面。站在阿里不哥一方有影响的东道诸王似乎很少，但他从西道诸王那里获得的支持要多于忽必烈。
成吉思汗直系各支宗王的政治态度对忽必烈颇为不利。为改变此种局面，忽必烈先派支持自己的察合台后王阿必失哈急驰西北，企图用他控制察合台兀鲁思的政局，使之与中原汉地势力为犄角，钳制漠北。
阿必失哈一行在途经河西时为阿里不哥的军队截留，察合台兀鲁思落入阿里不哥派去的阿鲁忽之手。不久，阿鲁忽和旭烈兀渐与阿里不哥生隙。
忽必烈抓住时机，以明确承认二者在各自势力范围内的既有权益为条件，争取他们对自己的支持。
忽必烈宣布，自阿姆河西至马木路克疆界的塔吉克地面当归旭烈兀统治守卫，自阿勒泰山至阿姆河之地则由阿鲁忽镇守。至此，除术赤后王早已分治于钦察草原之外，突厥斯坦西部及河中地区、波斯和呼罗珊也正式从大汗直接领有的国土中分立出来，成为中央汗廷的守藩之国。
中统元年秋，阿里不哥兵分两路，大举南下。东路军由旭烈兀的儿子药木忽儿、术赤后王合刺察儿统率，自和林逾漠南进。西路军由阿兰答儿统领，直指六盘山，意在接应从四川前线退屯该地的蒙哥攻宋主力。这支军队在蒙哥死后曾归阿速台节制，阿速台投奔漠北后，一直控制在阿里不哥的大将浑都海和哈剌不华手里。
中统二年，忽必烈与西道诸王的关系基本和解，使他得以全力对付阿里不哥。蒙古国家军队的主力，原由蒙哥统率侵宋。蒙哥死后，大将哈剌不花率部退守六盘山，与留守这里的浑都海部会合。
阿里不哥的左路军以宗王为帅，而且直接威胁汉地政治经济中心燕京，因此忽必烈亲自领军逆之，而以移相哥、纳邻合丹为其前部。移相哥军击溃药木忽儿和合剌察儿，阿里不哥难以继续立足和林，匆匆退到由他继承的拖雷分地吉里吉思。
忽必烈循帖里干道，顺利进至和林。其时正值初冬，和林城的残破相当严重，所以到达不久，忽必烈便南迁至汪吉河冬营地，以为短期休整。
阿里不哥深恐忽必烈乘胜追击，乃遣使假意求和，并称待马力稍复，再赴阙谢罪。忽必烈深以汉地政局为念，于是留移相哥镇漠北，自己冒严寒逾漠南返。
南指六盘山的西路军虽为偏师，但它牵动川蜀关陇，使那里本已化险为夷的形势又紧张起来。原来早在廉希宪受命宣抚京兆、四川时，屯兵观望于六盘山的浑都海就企图联络阿里不哥遣往关中的刘太平、霍鲁怀及川蜀军中亲阿里不哥的将领发难，企图与六盘山驻军联合，自关中进兵。
廉希宪当机立断，捕杀刘太平、霍鲁怀，并处死浑都海在四川的党羽乞带不花、明里火者，以处于弱势的秦巩世侯汪家的军队拒阻浑都海，以张声势，使其不得东进。
浑都海果然中计，闻京兆有备，于是西渡河，趋甘州，采取了“重装北归，以应和林”的下策，关陇之危竟得安然解脱。
可是当阿兰答儿提兵与北归途中的浑都海会师之后，这支军队重又折返东向，并派人约结陇蜀诸将，一时人心危疑，朝士至有捐弃两川、退守兴元之议。两军兵锋初接，朝廷方面又先失利，更加使河右大震。
这时候，忽必烈增派的诸王窝阔台子合丹、哈萨尔子哈必赤等率师与汪惟良、八春等合兵复战西凉，大败之，俘斩干尽。阿兰答儿、浑都海被擒杀，关陇得以平定。
忽必烈诏令陕西四川宣抚使八春节制诸军，命巩昌府总帅汪良臣统率陕西汉军防御六盘山的军队。
忽必烈亲率大军去和林，攻打阿里不哥。七月自开平出发。九月，至转都儿哥之地。阿里不哥败逃，退至吉里吉思地，派遣使者与忽必烈相约，邀集西北诸王正式选汗。
忽必烈命宗王移相哥统领一军囤驻和林，以待阿里不哥。十月，忽必烈领兵南返，十二月至燕京，赏赐拥立诸王。
中统二年二月，忽必烈返回开平。诏命燕京行省及各路宣抚使北上开平，会议军国大政。三月末，燕京省官毕集开平。
同年夏，除检核钱谷、充实省部、擢用辅弼外，朝廷还为中央和地方官府制定了若干具体的行政条款，行政中枢既经调整扩充，更明确地分为两个班子，以史天泽、张文谦等人留中，王文统、廉希宪等行省事于燕。
同年秋，忽必烈又置大司农官，并置十道劝农使司，为之使者，皆取于故国老人、君子长者，亲行田里，谕以安辑，教之树艺。
这时，溃败远遁的阿里不哥元气稍有恢复，又举兵东来。他事先遣使向移相哥伪称率众来归，使移相哥疏于防备，因而突袭成功。移相哥大军溃散，和林城再次失守。
忽必烈得警，急忙征调张柔、严忠嗣、张宏等七处汉军，并令董文炳率射手千人，塔察儿率军士万人随从出征。
十一月，忽必烈军与阿里不哥战于昔木上脑儿。诸王合丹、驸马腊真、丞相缐真和兀鲁、忙兀二部军为右军，诸王塔察儿、太丑台和史天泽等将左军，诸王哈必赤将中军，合势进攻，斩阿里不哥的大将合丹火儿赤。
塔察儿与合必赤分兵奋战，大破斡亦剌军。阿里不哥后军阿速台复至，再战，两军杀伤相当。阿里不哥北撤，忽必烈也还军，双方相峙于大碛南缘。
是年冬末，忽必烈师还，诏撤所在戍兵，放民间新签军。形势似乎缓和下来。
察合台汗领地原由兀鲁忽乃妃子摄政。忽必烈即位后，即派遣察合台曾孙阿必失哈偕弟纳邻合丹去阿力麻里主持政事。二王行至途中被阿里不哥捕获。
阿里不哥派察合台的孙子阿鲁忽去察合台汗地执政，以为声援，并防御在波斯的旭烈兀。阿里不哥远在漠北，从汉地北运的粮食断绝，给养缺乏，便派遣使者去察合台汗领地征敛。
阿鲁忽拒绝听命，转而拥护忽必烈。他杀掉阿里不哥派遣的使者，截留他征集的货物。
阿里不哥愤而移兵西讨阿鲁忽。但他自知一旦挥兵西指，和林终将不守，所以临行指令和林城诸长老，许其举城归降忽必烈军。阿里不哥西徙后，忽必烈所部果然不战而收复和林。
中统三年秋，阿里不哥领兵往征阿鲁忽。阿鲁忽在普剌城迎战，斩阿里不哥大将哈剌不花。阿鲁忽得胜而回，不再戒备。
阿里不哥的后军阿速台突然进至阿力麻里地区，阿鲁忽败走和田、喀什噶尔。阿里不哥军驻冬阿力麻里，阿鲁忽西走撒马尔罕。阿里不哥进驻阿力麻里后大肆屠掠，阿鲁忽部下多被杀死，伊犁河流域因之残破不堪。
中统五年春天，又值饥荒，人民大量死亡。阿里不哥的部下将士大多逃到了驻在阿尔泰地区的扎布汗河上的玉龙答失，共商归降忽必烈。
阿里不哥众叛亲离，又怕阿鲁忽报复，走投无路，不得不投附忽必烈。阿里不哥来见忽必烈请罪。
忽必烈问他说：“我和你谁对？”
阿里不哥回答说：“在以前，是我对。今天，算你对。”
忽必烈为了笼络人心，没有杀他，但是，处死了阿里不哥的主要支持者，包括聂思托里安教丞相孛鲁合。
忽必烈又分遣使者征询波斯旭烈兀、钦察别儿哥和察合台兀鲁思的阿鲁忽三王，决定赦免阿里不哥及阿速台罪。为谨慎起见，他把阿里不哥作为重要俘虏囚禁起来。不久，阿里不哥病死，长达五年的汗位纠纷就此结束。
这次纷争，客观上为蒙古军事贵族中主张“祖述变通”以“补偏救弊”的一派把统治中心从碛北移至漠南，从而更加便利于他们采纳汉法，加强对中原的统治，提供了一个适逢其时的契机。
中统五年九月，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”。同年十二月，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。
元政权建立后，蒙古帝国的中央政权不复存在，大蒙古国一分为五个国家，分别是：忽必烈的大元国，拔都的金帐汗国，西亚的伊尔汗国，南亚的察合台汗国，中亚的窝阔台汗国。
金帐汗国，又称钦察汗国、克普恰克汗国、术赤兀鲁思，原是成吉思汗长子术赤封地，包括自海押立西至撒黑辛、不里阿耳之地。
后来，术赤次子拔都西征，先后征服了钦察草原、克里木、高加索、保加尔、伏尔加河和奥卡河地区以及第聂伯河流域的罗斯各公国，在忽必烈称帝后，成为独立国家。
伊尔汗国原是旭烈兀的封地。蒙哥坐稳大汗之位后，便积极筹划进一步扩张。由于是同母兄弟，忽必烈、旭烈兀都得到积极的培植。忽必烈负责南方事务，旭烈兀则成为西征大军的统帅。
成吉思汗时期，蒙古军侵略并摧毁花剌子模王朝，并占领了波斯东部呼罗珊诸城。旭烈兀以此为基础，攻灭盘踞马拶答尔诸山城的“木剌夷国”，攻陷了巴格达，灭黑衣大食，并入侵叙利亚。
攻占叙利亚后，旭烈兀西征军兵锋抵达今天地中海东岸的巴勒斯坦地区，即将与埃及的马木路克王朝交战，此时旭烈兀得到使者带来的帝国最高统治者蒙哥在四川去世的消息，于是率大军东返。
旭烈兀回波斯后，获悉忽必烈已经即大汗位，并与幼弟阿里不哥发生了汗位之争，于是不再东返蒙古。他向争位双方派出使者，表示拥护忽必烈为大汗，指责阿里不哥。
元世祖问忽必烈遣使传旨，她们将阿姆河以西直到埃及边境的波斯国土和该地蒙古、阿拉伯军民划归旭烈兀统治。于是，旭烈兀建立起西亚的伊尔汗国。
伊尔汗国同元朝本部的联系，远比蒙古其他三大汗国密切，丝绸之路畅通，中国的四大发明加快了西传的速度，而回回炮、阿拉伯数字、阿拉伯历法、行省制度等也传入中国。旭烈兀显然应居世界历史上有重要影响的帝王之列。
察合台汗国原是成吉思汗次子察合台的封地，由察合台及其孙子哈剌旭烈及他的后人管理。最盛时其疆域东至吐鲁番、罗布泊，西及阿姆河，北到塔尔巴哈台山，南越兴都库什山，包括阿尔泰至河中地区，包括原蒙古乃蛮部落的广阔土地和西辽国的部分领土，即额尔齐斯河上游和巴尔喀什湖以东地区。
四大汗国的统治者在血统上均出自成吉思汗“黄金家族”，彼此血脉相连，因而同奉入主中原的元朝为宗主，与元朝驿路相通。
