元灭南宋后，仍利用隋唐运河旧道转运漕粮，路线大致是：由长江辗转入淮，逆黄河上达中滦旱站（今河南封丘西南），陆运180里至淇门（今河南浚县西南），入御河（今卫河），水运至大都。因运河河道多有壅塞，水陆转运颇多不便，而海上运路往往风信失时，也多倾覆，于是元朝政府着手组织对大运河的修凿。
至元十三年（1276年）始凿济州河。至元十七年（1280年），疏通通州运河。至元十八年至二十年（1281年至1283年），由奥鲁赤主持引汶水、泗水，从济州（今山东济宁）西北到须城安山（今山东东平西南）长150多里的济州河开通。曹路由淮河入泗水（今中运河），经济州河北抵安山，出大清河（今黄河下游），经东阿（今山东东阿南）、利津入海，然后由海运入直沽（今天津大沽口）转到大都。后又因海口淤沙壅阻，运道不通，又改由东阿陆运至临清（今山东临清南）入御河。至此，元代南北航运除东阿、临清之间一、二百里陆路外，已经大致沟通。此外至元十七年（1281年），曾用王积翁建议，令阿八赤等广开新河，然而新河候潮以行，船多损坏，于是罢新河。
至元二十六年（1289年）朝廷采纳寿张县尹韩仲晖等人建议，开会通河以通运道。会通河自须城安山西南起，分梁山泺（今山东梁山、郓城等县间的梁山泊）水源北流，经寿张（今山东梁山西北）西北到东昌（今山东聊城），又西北于临清入御河，全长250余里。工程由李处巽主持，历时六个月。中途建水闸30处，可以随时调整流量。至此，南北航运已全线沟通。会通河“开魏博之渠，通江淮之返，古所未闻”，称为一时盛事。黄河于宋、金之际夺淮入海后，北边故道久已减弱，会通河开凿后，黄河一部分水流由此流入御河，北上入海，御河因此又有“北黄河”之称。
至元二十八年（1292年），按照郭守敬设计的方案开凿通惠河。通惠河导昌平县白浮村神山泉，通双塔榆河，引一亩、玉泉诸水入城，汇于积水潭，又东折而南，出文明门（今崇文门）至通州高丽庄入白河。后长164里，中设水闸21处，大致“每十里置一片闸”。工程历时一年，丞相以下朝廷百官都曾到工地参加劳动，“皆亲操畚锸为之倡。”河成之后，漕船可以一直驶入大都城，“自是免都民陆车免之劳，公私便之。”
由通州南下至白河北运河北段，上接通惠河，下通大沽河，是南北通航要道，但是，由于所依赖的潞河水源不足，河道浅涩，通行不便。至元三十年（1294年），忽必烈采纳漕运使司建议，又引小渠水入榆水，以增加流量，便利行舟。
至元末年，还曾经对相当于旧邗沟的扬州运河进行疏通。扬州运河在灭宋后逐渐壅塞，连年疏通，成效不大，至延四年（1317年）方疏浚畅通。至治年间（1321至1323年），又对属江南运河的镇江支河进行疏凿。疏凿河段自镇江至常州武进县吕城坝（今江苏丹阳东南），长131里。疏凿后河面加阔至五丈，底阔三丈，深六尺。同时，还开浚了镇江运河的重要水源练湖（今江苏丹阳北）。
至正二年（1342年），又根据中书参议勃罗帖木儿和都水傅佐的建议，进行了开京师金口河的工程。计划起自通州南高丽庄120余里创开新河一道，深五丈，宽15丈，放西山金口水东流，合御河，“接引海运至大都城内输纳”。然而工程完成之后，起闸放金口水，流湍势急，沙泥壅塞，船不可行。金口河工程破坏了沿途民居基地，夫丁死伤众多，“又费用不赀，卒以无功”，后来御史纠劾建言者，勃罗帖木儿和傅佐都因此被处死。
元朝政府着手陆续修凿完成的大运河全长3000多里，北起大都，南达杭州，沟通了海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大流域。元代大运河对于元维持专制主义统治有重要作用，同时促进了南北经济文化的交流，也为明清运河的畅通以至现代大运河的水运条件奠定了基础。
平定西北诸王
按照元窝阔台汗元年（1229年）宗室诸王的盟约，蒙古大汗之位世世代代由窝阔台的后代承袭。然而，从蒙哥汗开始，大汗之位转到了拖雷一系。由此埋下了宗室失和的种子。忽必烈在位期间推行汉化政策，更加剧了与保守的西北诸王的矛盾，终于爆发了长达四十年之久的海都、笃哇、昔里吉之乱。
海都是窝阔台的孙子，元宪宗蒙哥汗二年（1252年）被蒙哥汗封于海押立（今苏联塔尔迪—库尔干东北）。海都对此一直耿耿于怀，蒙哥汗六年（1256年）扣押了蒙哥汗的使臣断事官石天麟，后来又支持阿里不哥与忽必烈争位。他还结交术赤汗别儿哥，逐渐控制了窝阔台的封地叶迷立（亦称也迷里，今新疆额敏河流域），成为雄踞于察合台汗国与蒙古本土之间的强大势力。元世祖至元元年（1264年）阿里不哥失败后，忽必烈邀请海都参加库里尔台大会。海都以道远马瘦，不堪劳苦为托辞，表示只愿意在自己领地内服从大汗的命令。后忽必烈将蔡州（今河南汝南，辖今渤海西南部）分封给海都，海都仍不为所动。至元三年（1266年），察合台汗阿鲁忽去世，堂侄木八剌沙继位。忽必烈派木八剌沙的堂兄弟八剌去辅佐并监视木八剌沙。八剌回国发动兵变，自立为汗。这时，忽必烈封皇子那木罕为北平王，主持西北军务，并派使者说服术赤汗忙帖木儿进攻海都。
至元五年（1268年），忽必烈出兵击败海都，追击到阿历麻里（今新疆霍城）。忙哥帖木儿、八剌也出兵攻击海都。海都先和忙哥帖木儿讲和，然后在失儿答里牙（今苏联锡尔河）一线迎击八剌。海都失利，损失惨重。不久，得到忙哥帖木儿的五万援兵，才挽回局面，连连击败八剌。八剌退过失儿河，聚兵募饷，继续与海都周旋。海都为解除后顾之忧，主动与八剌和解，结为俺答（义兄弟）。
元朝最早发行的纸币至元六年（1269年），海都、八剌等在塔剌思（今苏联江布尔召开大会），将察合台领地的三分之二划归八剌，三分之一分属海都和忙哥帖木儿。与会诸王宣誓恪守蒙古传统风俗制度，派遣使者质问忽必烈为何在汉地建都和采用汉法。第二年，八剌去世。海都立八剌堂叔捏古伯为汗。八剌诸子和阿鲁忽诸子不服，联兵进攻海都。
西北诸王混战给了忽必烈从容布置的时机。忽必烈先是任命刘好礼为乞儿吉里、撼合纳、廉州，益兰州等五部（今苏联叶尼塞河流域）断事官，大量迁入中原农户、军人，实行屯田，修筑道路，建立驿站，形成了进攻叛王的基地。又命北平王那木罕建节阿力麻里，作为总管西北军事的中枢。至元十年（1273年），捏古伯与海都兵戒见，元军乘机出兵察合台汗国。十二月，捏古伯阵亡。第二年，八剌诸子与海都讲和，立八剌之子笃哇为察合台汗。不久，忽必烈下令追缴颁给海都、八剌的金银符，并派中书右丞相安童辅佐那木罕，调那木罕之弟阔阔出、蒙哥之子昔里吉、忽必烈之侄脱脱木儿、阿里不哥之子明里帖木儿、药木忽儿等赴军前效力。
正当元朝集结兵力之时，对忽必烈心怀不满的昔里吉等人发动了叛乱。至元十三年（1276年）秋，脱脱木儿发难。昔里吉奉命征讨，暗中勾结脱脱木儿等人，发兵拘捕那木罕、阔阔出和安童。叛王拥戴昔里吉为席，进攻岭北。八月，忽必烈派汉军都元帅阔阔带、李庭率侍卫军2000人西征。第二年春天，昔里吉分兵东进，弘吉剌万户折儿瓦台也起兵响应，将忽必烈女儿囊家真围困在应昌（今内蒙古阿巴哈纳尔旗东南）城中。忽必烈听后便急调诸王伯木儿和丞相伯颜的南征大军北上平叛。伯木儿军与叛军激战于鱼儿泊（今达赉泊）等地，大获全胜，活捉折儿瓦台。但这时昔里吉率主力已越过杭海岭（今蒙古杭爱山），渡过斡耳寒河（今蒙古鄂尔浑河）了。元将土土哈在土兀拉河（今蒙古土拉河）阻击叛军。六月，伯颜大军到达土兀拉河，大破叛军，败退斡耳寒河。七月，叛军分裂，忽鲁带率领部队投降。伯颜挥师进攻，吉里昔仓促应战，大败而逃。同年冬，南平王秃鲁在六盘山起兵响应昔里吉，很快就被平息。
至元十五（1278年）初，元将土土哈部越过按台山（今新疆阿勒泰山）。昔里吉逃往也儿的石河（今新疆额尔齐斯河），脱脱木儿逃往吉利吉思。同年冬，元将刘国杰率侍卫军五万人戍守和林（今蒙古哈尔和林东北）。元重新控制了岭北。第二年，脱脱木儿南下侵扰杭海山东。元军主帅别吉思迷失采用刘国杰避实就虚的计策，直捣叛军巢穴，占领谦州（今苏联克孜尔西南）。脱脱木儿慌忙回师，与元军大战于谦河（今苏联叶尼塞河），大败而逃。
至元十八年（1281年），叛军内讧。先是脱脱木儿向昔里吉求援，遭拒绝，便改奉蒙哥孙子撒里蛮为帝。药木忽儿反对这一做法，将脱脱木儿击败，俘送昔里吉处。昔里吉处死脱脱木儿。撒里蛮孤立无援，被迫投奔昔里吉。昔里吉将其押送术赤后王火赤斡兀立处。途中，撒里蛮被旧部救走，重整旗鼓，打败昔里吉。将昔里吉、药木忽儿押送大都。药木忽儿途中行贿得以脱身，借兵突袭撒里蛮。撒里蛮兵败，投降忽必烈。后来，昔里吉被流放到海南岛。
在昔里吉叛乱期间，海都侵占阿力麻里，侵扰天山南北。忽必烈派诸王阿只吉等率10万之众驻守别失八里（今新疆奇台西北）等地，以防备海都。至元十九年（1282年），海都释放那木罕等人，以求和解，但又派兵进攻斡端（今新疆和田）等地。至元二十二年（1285年），笃哇率兵12万包围哈剌火州（今新疆吐鲁番），围城六个月。海都也侵扰了纳思河，在洪水山（今新疆呼图壁县西南）设埋伏，大败元军，乘胜经彰八里（今新疆乌鲁木齐、昌吉之间），进入哈密力（今新疆哈密），杀死元畏兀儿亦都护火赤哈的斤。元军马上派兵增援畏兀儿，海都撤走。
至元二十四年（1287年），海都准备出兵10万，呼应东北叛王十三颜。忽必烈派伯颜镇守和林，切断东、西叛王的联系。海都见东进受阻，转向西方。二十六年（1289年）春，海都在杭海山打败忽必烈之孙甘麻剌部。不久，和林元军也投降了海都。七月初一，忽必烈下诏亲征。海都闻讯而退。
至元二十九年（1292年），诏命玉昔帖木儿取代伯颜镇守和林。当年秋，元将土土哈在按台山俘海都部民3000余户，进取吉利吉思。第二年春天，土土哈军入谦河（今苏联叶尼塞河）流域，收复五部地区，将海都势力逐出按台山。
元贞元年（1295年），在别失八里设北庭元帅府，以平章合伯为都元帅，主持西北军务。不久，叛军再度发生内讧。第二年秋，药不忽儿、兀鲁思不花等脱离笃哇，投降元朝。大德二年（1289年）十月，笃哇夜袭合剌合塔，俘元朝驸马阔里吉思。回师途中，遭到元将朵儿朵哈的袭击，损失惨重。不久，海都之子斡鲁温孙与元将床兀儿大战于阔客（今新疆和布克赛尔），元军大胜。皇侄海山率兵越过按台山，直捣海都王庭海押立，重创叛军后回师按台山。接着，海都、笃哇联合诸王四十余人率部大举进犯，超过按台山，直逼和林。海都率军布防于杭海山一线。八月，两军前锋激战于迭怯里古，叛军失利。两天后，海都率主力赶到，大战于合剌合塔，元军失利被困。第二天再战，元军又败。同时，笃哇部与元军激战于兀儿秃，大败而逃。海都只得撤退，途中病逝。笃哇拥立海都长子察八儿。
长达几十年的战争使双方都精疲力尽。大德七年（1303年），笃哇主动求和。元成宗派遣使者招抚。大德十年（1306年），笃哇、察八儿失和，交战于忽毡（今苏联列宁纳巴德）。察八儿大败。元怀宁王海山趁机越过按台山追击察八儿，叛王秃满等投降。察八儿投奔笃哇。笃哇善待察八儿，收回了海都时占去的察合台领地。至此，西北诸王之乱才彻底平息。
元军征高丽
后梁末年贞明四年（918年），王建建立高丽国，在于长兴四年（933年）得到后唐的册封。二年后，高丽灭新罗。第二年，灭百济，统一了朝鲜半岛，与辽、宋、金、元等王朝保持着密切的关系。
成吉思汗十一年（1216年），辽东契丹贵族耶厮不、乞奴等起兵反抗蒙古。第二年八月，乞奴、喊舍在蒙古军队打击下，率众九万渡过鸭绿江，攻占高丽北部的江东城。不久，成吉思汗派都元帅哈赤温等率兵10万进入高丽。蒙古军联合高丽军消灭了契丹叛军。哈赤温送还契丹军中的高丽俘虏，与高丽大将赵冲结盟，然后班师。此后，高丽年年进贡，双方使节往来不断。直到成吉思汗十九年（1224年）十二月，蒙古使臣在高丽境内被强盗杀害。
