成吉思汗统一蒙古各部后，就率领蒙古铁骑不间断地东征西讨。成吉思汗四年（公元1209年）蒙古进攻西夏，围其都城中兴府（今宁夏银川市），迫使西夏求和而去。又攻西辽属国畏兀尔，取得了今新疆乌鲁木齐、吐鲁番和哈密一带。成吉思汗六年（公元1121年），蒙古攻取西辽另一属国哈剌鲁，将疆域扩展到今巴尔喀什湖以东地。同年秋蒙古进攻金国，不久就攻入居庸关，威胁金的首都中都（今北京市），并攻陷了今山西、河北、山东、河南大批州县。成吉思汗九年（公元1214年，金贞佑二年）初，蒙古军进抵中都，金宣宗求和，成吉思汗退兵。五月，金宣宗迁都南京。蒙古军再次南下，并在次年二月破中都。成吉思汗十三年（公元1218年），蒙古军杀乃蛮王屈出律，原西辽的疆域全部由蒙古占领。蒙古军又先后攻下河东（今山西西南部）、河北和山东。至成吉思汗十六年（公元1221年，金兴定五年），金的黄河以北土地基本上已落入蒙古之手。成吉思汗二十一年（公元1226年），成吉思汗亲自率军攻西夏，夺取甘、肃等州。次年六月蒙古灭西夏，七月，成吉思汗病死在清水（今甘肃清水县）行营。他的儿子窝阔台汗（元太宗）继位后，继续对金进攻，并与南宋议定南北夹击。窝阔台汗六年（公元1234年，金天兴三年，宋端平元年）正月，蒙、宋军破蔡州（今河南汝南县），金哀宗自杀，末帝死于乱军，金亡。同年窝阔台就与臣下议定攻宋，蒙古军袭败北上宋军。此后，灭宋的军事行动持续了40多年，在长江上游的四川、中游的襄阳（今湖北襄樊市）和淮河中游，战争进行得尤其激烈。蒙哥汗（元宪宗）二年（公元1252年），命忽必烈自忒列（今四川宜宾市西）进军，至十二月攻破大理城。四年，大理国王段兴智被擒，大理国亡。大约在此前的乃马真后三年（公元1244年），吐蕃宗教领袖八思巴的叔父萨思迦班智达曾会见过蒙古的大将阔端，表示接受蒙古大汗的管辖，但一部分吐蕃贵族不愿服从蒙古。因此在灭大理后，蒙古军进入吐蕃，镇压了不服从的贵族，完全控制了吐蕃地区。在攻占襄阳和夺取了四川大部以后，元世祖忽必烈于至元十一年（公元1274年，宋咸淳十年）下诏伐宋，发动全面进攻。至元十三年（公元1276年，宋德佑二年）正月，元兵逼近南宋首都临安（今浙江杭州市），宋廷奉表投降。尽管文天祥、张世杰等在南方继续抵抗，但终于回天无力，到至元十六年（公元1279年，宋祥兴二年）厓山（今广东新会市南海上）战败，宋朝的残余势力也覆灭了。成吉思汗时，蒙古还没有固定的首都。窝阔台汗七年（公元1235年），在今蒙古国鄂尔浑河上游后杭爱省厄尔得尼召北哈尔和林建都，称喀拉和林，简称和林。蒙哥汗六年（公元1256年）忽必烈在今内蒙古正蓝旗东闪电河北岸营建宫室城郭，忽必烈汗中统元年（公元 1260年）在此即位，称开平府，中统四年升为上都。至元四年（公元1267年）在金中都城（今北京）东北另筑新城，至元九年（公元1272年）改称大都，成为元朝的首都。