1259年8月11日，蒙哥在四川合州釣魚山病逝。9月19日，在四川的忽必烈異母弟末哥派來的使者向忽必烈宣佈這個消息，並請忽必烈北歸繼承帝位。忽必烈則認爲“吾奉命南來，豈可無功遽還?”於是進攻南宋，並多次獲勝，後來，忽必烈的正妻察必派使者密報，和林衆臣謀立忽必烈之弟阿里不哥，而且阿里不哥已經派阿藍答兒在開平附近調兵，脫裏赤在燕京附近徵集民兵，使者催促忽必烈早日北還。11月17日，儒臣郝經上《班師議》，陳述必須立即退兵的理由，堅定了忽必烈退兵北返的決心。忽必烈聲稱要進攻南宋首都臨安，留大將繼續對鄂州的圍攻，增加對南宋的軍事壓力，南宋丞相賈似道派使者請和，約定南宋割地，並且送歲幣，忽必烈於是在當日撤兵北返。
1260年1月4日，忽必烈率軍抵達燕京即今北京市，解散了脫裏赤徵集的民兵，“民心大悅”。忽必烈率軍在燕京近郊駐紮，度過整個冬天，並積極和諸王聯絡，準備在1260年春天召開庫力臺大會，舉行登基大典。
1260年5月5日忽必烈登基成爲大蒙古國皇帝即蒙古帝國大汗。忽必烈發佈稱帝的即位詔書《皇帝登寶位詔》，在詔書中，他自稱爲“朕”，稱他的哥哥元憲宗蒙哥爲“先皇”。
1260年6月29日，忽必烈發佈《中統建元詔》，正式建年號“中統”。
1264年9月7日，忽必烈發佈《至元改元詔》，取《易經》“至哉坤元”之義，改“中統五年”爲“至元元年”。12月18日，忽必烈將國號由“大蒙古國”改爲“大元”，從大蒙古國皇帝變爲大元皇帝，大元國號正式出現，忽必烈成爲元朝首任皇帝。
