窝阔台做了12年的大汗之后，在公元1241年十一月病死，由其长妻乃马贞氏执政，后来她的儿子贵由做了两年大汗。贵由死后，由拖雷的长子蒙哥继承了汗位，从此蒙古大汗以及后来的元朝皇帝从窝阔台系转移到拖雷系。蒙哥做了大汗以后，派四弟忽必烈主管整个北方地区的军政事务。在近10年的时间里，忽必烈征用一批有学问的汉族知识分子帮助自己治理中原，并拉拢地主武装集团来扩充自己的军事实力。因此，无论在经济势力上还是在军事力量上，忽必烈均居蒙古汗国诸王之首，声望大增。
宪宗八年（1258年），蒙哥汗发动三路大军进攻南宋。他自己率领主力亲征四川；忽必烈攻鄂州（今武汉市武昌）；老将速不台的儿子兀良合台从云南包抄过来，攻打潭州（今湖南长沙市）。然后，三路大军在鄂州会师，一起进攻南宋的首都临安（今浙江杭州市），灭亡南宋。宪宗九年七月，蒙哥在进攻四川合州（今合川县）钓鱼山时，病死阵中。也有人说他是亲自督师攻城时，被飞石击成重伤死的。正在向鄂州推进的忽必烈，在得知蒙哥汗死去的消息后，他想加紧攻取鄂州，再北上夺取大汗位。这时，忽必烈接到其妻弘吉剌氏从开平（今内蒙古多伦附近）传来密报，得悉其驻守漠北的幼弟阿里不哥正在图谋继承汗位的消息。于是，忽必烈匆匆接受南宋议和，日夜兼程返回开平。第二年（即1260年）四月，忽必烈在开平正式宣布即大汗位。这年五月，阿里不哥在和林老营盘（今蒙古国首都附近）也宣布即大汗位。于是，兄弟反目，一场长达4年的规模浩大的汗位争夺战打响了。
忽必烈与阿里不哥的汗位之争，是以秦、陇、蜀地区为主要争夺对象，六盘山地区更是双方争夺的重点。当时六盘山地区的情况较为复杂，这里主要是指军队，有的支持忽必烈，有的支持阿里不哥。阿里不哥称汗后，立即派心腹刘太平赶到六盘山，策动六盘山驻军大将浑都海起兵反叛忽必烈。浑都海又联络驻军四川的将领明里火者、乞台不花等部共同发难，拥立阿里不哥为大汗。浑都海是蒙哥的旧将，宪宗八年蒙哥南下伐宋时，命他领兵2万屯驻六盘山。另外，蒙哥在离开六盘山时，还留下了大量的军用物资，同时还把他的爱妃出卑可敦留在这里避暑。留在六盘山的物资就成了这次汗位争夺战阿里不哥一方的重要给养源。而出卑可敦是先帝爱妃，她的存在本身就对忽必烈十分不利。蒙哥死后，原随蒙哥征宋的大将哈剌不花也率部退据六盘山，与浑都海会合。这样，在支持阿里不哥的势力中，浑都海势力最强，是支持阿里不哥的主谋和主力。阿里不哥称汗后，又命陕西行省左丞相阿兰答儿自漠北和林提兵南下，配合浑都海图谋占据关、陇地区。刘太平策动浑都海反叛忽必烈后，又到陕西征收钱粮，筹集军饷，以配合六盘山之军南下。
面对阿里不哥咄咄逼人的态势，忽必烈采纳畏兀儿（今译维吾尔）人廉希宪的建议，在逐步加强对六盘山地区兵力控制的同时，对阿里不哥的势力展开攻势。忽必烈任廉希宪为京兆等路宣抚使，汪惟为巩昌（今甘肃陇西县）等处都总帅，一面对六盘山等地驻军进行安抚，一面以迅雷不及掩耳之势诛杀了乞台不花、明里火者、刘太平等人。同时把灵州屯田居民全部撤回京兆，给叛军以釜底抽薪的打击。
中统元年（1260年）七月，忽必烈一切准备就绪后，准备亲自讨伐阿里不哥。这时，已被孤立的浑都海见势不妙，便大肆劫掠六盘山一带府库后，放弃六盘山北归，由灵州渡黄河经应吉里城（今宁夏中卫市）退至凉州，与提兵南下的阿兰答儿会合，占据甘州。忽必烈命廉希宪、商挺负责讨伐。九月，诸王合丹、八春、汪良臣三路大军与浑都海、阿兰答儿在甘州东面山丹附近的耀碑谷大战。这时正逢沙尘暴天气，狂风大作，黄沙漫天。汪良臣命士兵下马，突其左胁，绕到阵后，击其右翼；八春率军直捣前阵；诸王合丹则率领骑兵断其归路。经过激战，忽必烈军大胜，斩杀甚多，浑都海、阿兰答儿被生擒，押送京兆处死，六盘山之乱告平。至元元年（1264年），阿里不哥向忽必烈投降，忽必烈夺取汗位取得胜利。随着战争的结束，忽必烈建立的大元王朝也终于在大西北站稳了脚跟。这次汗位之争的胜利，从本质上说，是蒙古统治集团内部“汉法”派战胜了守旧派，这对于蒙古汗国最后完成封建化并统一全国来说，是有决定意义的。
元世祖忽必烈是元朝的创建者。他年轻时就想有所作为，对学习和吸收中原汉文化持积极、开明的态度。在继汗位之初，他排除保守贵族的干扰，宣布鼎新革故，锐意推行汉法。实行安业利民的国策，以中原王朝为榜样，同时部分保留充分保障蒙古贵族特权的一些旧制，确立了中央集权的封建统治体系及相应的典章制度。
至元十六年（1279年），忽必烈灭掉南宋，在中国历史上建立了第一个由少数民族统治的空前庞大的全国性政权———元朝。
