忽必烈是拖雷的儿子，而拖雷的是成吉思汗最小的儿子，也是他最喜欢最疼爱的儿子。忽必烈的父亲拖雷是成吉思汗的第四个儿子，他经常跟随成吉思汗东征西讨，或者留守和林;他富有作战经验，在后来攻打金朝的战争中，它实际上是主帅。后来由于窝阔台妒嫉他的才能，害怕他威胁大汗的宝座，借着生病而让他喝下了所谓的“巫水”(实际上可能是毒酒)而死亡。他的母亲是唆鲁禾帖尼，一个美丽而贤慧的富有主见的蒙古女性。据说当年成吉思汗很想把王位传给拖雷，但因爲蒙古人的习俗，最小的儿子是守竈的，不能继承王位。拖雷做不成汗，最後让他的儿子继承了蒙古大汗的位子。
1259年8月11日，蒙哥在四川合州钓鱼山病逝。9月19日，在四川的忽必烈异母弟末哥派来的使者向忽必烈宣布这个消息，并请忽必烈北归继承帝位。忽必烈则认为“吾奉命南来，岂可无功遽还?”于是进攻南宋，并多次获胜，后来，忽必烈的正妻察必派使者密报，和林众臣谋立忽必烈之弟阿里不哥，而且阿里不哥已经派阿蓝答儿在开平附近调兵，脱里赤在燕京附近征集民兵，使者催促忽必烈早日北还。11月17日，儒臣郝经上《班师议》，陈述必须立即退兵的理由，坚定了忽必烈退兵北返的决心。忽必烈声称要进攻南宋首都临安，留大将继续对鄂州的围攻，增加对南宋的军事压力，南宋丞相贾似道派使者请和，约定南宋割地，并且送岁币，忽必烈于是在当日撤兵北返。
1260年1月4日，忽必烈率军抵达燕京即今北京市，解散了脱里赤征集的民兵，“民心大悦”。忽必烈率军在燕京近郊驻扎，度过整个冬天，并积极和诸王联络，准备在1260年春天召开库力台大会，举行登基大典。
1260年5月5日忽必烈登基成为大蒙古国皇帝即蒙古帝国大汗。忽必烈发布称帝的即位诏书《皇帝登宝位诏》，在诏书中，他自称为“朕”，称他的哥哥元宪宗蒙哥为“先皇”。1260年6月29日，忽必烈发布《中统建元诏》，正式建年号“中统”。1264年9月7日，忽必烈发布《至元改元诏》，取《易经》“至哉坤元”之义，改“中统五年”为“至元元年”。12月18日，忽必烈将国号由“大蒙古国”改为“大元”，从大蒙古国皇帝变为大元皇帝，大元国号正式出现，忽必烈成为元朝首任皇帝。