1264年，阿里不哥投降，内战结束。忽必烈正式定都燕京，改燕京为中都。从此，汉法得以全面推行。元世祖将统治中心移至中原后，在他的谋臣的建议下，确立了以自己为核心的统治秩序。
至元九年(公元1272年)正月，元世祖下令把尚书省合并到中书省，尚书省平章政事阿合马、尚书省同平章事张易担任中书省平章政事，尚书省参知政事李尧咨、麦术丁担任中书省参知政事。此外，免除给事中、中书舍人、检正等官职，仍然设立左右司，把六部减至四部，改称中书省。不久，又下令把北京、中兴、四川、河南四地的行尚书省改为行中书省，京兆府再次设立行中书省，由诸侯脱里只必帖木儿设立行省断事官。此后，山东东路都元帅府统军司被改为行枢密院，元世祖任命也速带儿、塔出一起担任枢密院副使。
元朝经过一系列变革，逐渐完备了它的中央机构，中书省、枢密院和御史台并立。中书省又称为都省，统辖百司，是总理全国政务的最高官署。它的最高长官名叫中书令。此外，还设有右丞相和左丞相。至元十二年(公元1275年)七月，世祖任命伯颜为右丞相，阿术为左丞相，成为中书省的高级官员。由于中书令经常空缺，所以中书省的大小事务一般由左、右两个丞相来裁夺，他们成为中书省的实际长官。两个丞相的权力相当，但是由于蒙古习俗崇尚右，因此，右丞相的地位较高。
中书令和左右丞相之下便是平章政事。平章政事也属于宰相，但是属于左、右丞相的副手，他们裁决庶务，被称为左、右辖。参知政事也是作为左右宰相的副手参与政事的。
在中书省中，执事官主要有左、右丞相，平章政事和参知政事，偶尔也有中书令，他们被统称为宰执。
至元五年(公元1268年)，蒙古已经开始设立御史台。御史台是中央最高的监察机构，又叫中台、内台、乌台或宪台等。御史台的长官是御史大夫，另外还有御史中丞、侍御史、治书侍御史等官员。御史台下辖殿中司、察院等机构，主要纠察官员的善恶和得失等。御史台的官员一般品级很低，而且俸禄也不多，但其作用和影响相当大。除了御史台外，蒙古还设立行御史台和廉访司等地方机构。
至元七年(公元1270年)，元世祖下令设置同知枢密院事、枢密院判官各一名。至元二十八年(公元1291年)，元世祖正式下令设置知枢密院事一名，成为枢密院的长官，元朝枢密院制度完全确立。枢密院是中央最高的军事机构，主管宫禁宿卫、驻军、征伐、边防、举功转官、节制调度等事宜，又称为枢府或者密院。它的最高长官是枢密使。由于军权位高权重，一般由皇太子担任。但是，皇太子也经常没有人选，因此，这个职位经常空缺。实际上负责枢密院工作的是枢密副使和佥书枢密院事。此外还有同知、副枢、佥院、同佥枢密院、院判、参议等官。自从设置枢密院开始，四怯薛各自派一名代表参与院议，中书省也派平章政事前往参加商量院事。
除了中书省、御史台和枢密院之外，元世祖还曾经设立过总理全国财政的国用使司和治理诸脱里、驸马、投下蒙古及色目人的刑名等问题的大中正府等等。
在地方上，元朝普遍设置行中书省，简称为省或者行省。河北、山西和山东直接隶属于中书省，吐蕃(西藏)由宣政院管辖，其余各地按地域划分为四川、甘肃、云南、江西、江浙、湖广、陕西、河南、辽阳、岭北等行省。行省的长官设置与中书省相同，有左、右丞相，平章政事，左、右参知政事等等。行省之下，设置了路、府、州、县等各级地方行政机构。行省开始是中央派生出的临时机构，后来固定化，成为正式的机构。行省制度的确立，是我国政治制度史上的一项重大变革，是我国行省制度的开端。
1291年，忽必烈正式颁布了《至元新格》，这是元朝的第一部成文法。这部法律是参照唐、宋的法律条文，结合蒙古习惯制定的。在法律当中，公开地宣布实行民族压迫和民族歧视，提高宗教的地位。根据这部法律，佛教的地位提高了，僧侣享有很大的特权。元朝将百姓分为蒙古人、色目人、汉人、南人四种来统治。
除政治和法律外，军事也是忽必烈时期的重头戏。在忽必烈统治的绝大多数时间里，元朝不是对外用兵就是对内平叛，因此，军事制度也逐渐完善起来。应当说，元代的军事制度是在蒙古汗国兵制的基础上日趋完备的。