13世纪初期，蒙古部族在北方兴起。其首领铁木真在南征北战、东讨西伐而统一各部落后，于金章宗泰和六年（1206）初春，在斡难河（即鄂嫩河，黑龙江上源）源驻冬地即皇帝位，尊号“成吉思汗”（皇帝），建国号为大蒙古国。这一年就是成吉思汗（元太祖）元年。六年（金大安三年，1211）后，成吉思汗率军南伐。这年九月，蒙古军曾抵金中都城下。八年（金贞祐元年，1213）秋，蒙古军兵分三路（成吉思汗与皇子拖雷为中路军，皇子朮赤、察合台、窝阔台为右路军，皇弟哈撒儿等为左路军），大举伐金。这年，河北、山东、苏北地区除了金中都以及通州、顺州（今北京顺义）、真定（今河北正定）、清州（今河北青县）、沃州（今河北赵县）、大名（今河北大名）、东平（今山东东平）、德州（今山东陵县）、邳州（今江苏邳县西南之古邳镇）、海州（今江苏连云港）11个城未被蒙古军攻陷外，其余的州县城池都被蒙古军攻破。成吉思汗满怀胜利的喜悦回到中都城郊外，与三路凯旋大军合屯大口（当在今京北清河镇附近，清河镇东有小口，当与大口相对而称）。九年（金贞祐二年，1214）三月，成吉思汗驻跸金中都北郊（当驻金万宁宫）。五月，金宣宗迁都汴京，委派官员辅助太子完颜守忠留守中都。转年五月，蒙古军占领中都。但是，从成吉思汗到其子窝阔台（太宗）、其孙贵由（定宗）、蒙哥（宪宗）等，都没有以金中都为国都的打算，而是建都和林（在今蒙古国首都乌兰巴托西南）。窝阔台六年（1234），金亡。
岁辛亥（1251），蒙哥即皇帝位，因同母的弟弟中，忽必烈最大，而且贤能不俗，有勇有谋，于是将蒙古国大沙漠以南汉地的军事、国事及平民百姓的事，全嘱托于他。第二年，忽必烈驻扎桓州（在今内蒙古自治区多伦西、闪电河西岸）、抚州（今河北张北县）间。蒙哥六年（1256）三月，忽必烈“命僧子聪（刘秉忠）卜地于桓州东、滦水北，城开平府，经营宫室”。隔了三年，因后方争权夺利的斗争日趋激烈，正在前线带兵伐宋的忽必烈得知信息后，立即从江汉返回，于同年闰十一月二十日回到燕京，驻跸燕京近郊（当是金万宁宫）。因为当时的皇帝宪宗蒙哥在领军进讨大西南的途中病故，而国不能一日无君，故转年（1260）四月初四日，忽必烈即皇帝位。《元史·世祖纪》载录其《即位诏书》，原文是：
“朕惟祖宗肇造区宇，奄有四方，武功迭兴，文治多缺，五十余年于此矣。盖时有先后，事有缓急，天下大业，非一圣一朝所能兼备也。先皇帝即位之初，风飞雷厉，将大有为。忧国爱民之心虽切于己，尊贤使能之道未得其人。方董夔门之师，遽遗鼎湖之泣。岂期遗恨，竟勿克终。肆予冲人，渡江之后，盖将深入焉。乃闻国中重以签军之扰，黎民惊骇，若不能一朝居者。予为此惧，驲骑驰归。目前之急虽纾，境外之兵未戢。乃会群议，以集良规。不意宗盟辄先推戴。左右万里，名王巨臣，不召而来者有之，不谋而同者皆是。咸谓国家之大统不可久旷，神人之重寄不可暂虚。求之今日太祖嫡孙之中，先皇母弟之列，以贤以长，止予一人。虽在征伐之间，每存仁爱之念，博施济众，实可为天下主。天道助顺，人谟与能。祖训传国大典，于是乎在，孰敢不从。朕峻辞固让，至于再三，祈恳益坚，誓以死请。于是俯徇舆情，勉登大宝。自惟寡昧，属时多艰，若涉渊冰，罔知攸济。爰当临御之始，宜新弘远之规。祖述变通，正在今日。务施实德，不尚虚文。虽承平未易遽臻，而饥渴所当先务。呜呼！历数攸归，钦应上天之命；勲亲斯讬，敢忘列祖之规？建极体元，与民更始。朕所不逮，更赖我远近宗族、中外文武，同心协力，献可替否之助也。诞告多方，体予至意！”
这份文言《诏书》，用现在的话说，大致就是：我考虑祖宗（指成吉思汗）开辟创拓疆土，拥有天下四方，那时候武功强盛，征战不止，但很少讲以文教施政，治国安民。到现在已经五十多年了。时间有先有后，事情有缓有急，建立天下大业，不是一位圣主、一朝君臣所能完全做到的。先皇帝（指其兄蒙哥）即位之初，大风呼啸，迅雷轰鸣，吉祥之兆，预示着他将大有作为。他的忧国爱民之心，虽然使他常常责备自己，但是在尊重贤明、使用能人方面，他还不入道，未得贤能之人。正当他统率大军在四川征战的时候，突然病逝，留下鼎湖的悲痛。A哪里只是遗恨，竟然没能善终。
我年轻幼稚，渡江以后，本想深入进军。听说国家严重受到签军（金代，一旦有战事就强迫汉民壮男当兵，谓之签军）的骚扰，百姓害怕，好像不能一时安居。我为此感到恐惧，骑驿站的驿马赶紧返回。目前的紧张情势虽然有所缓解，但境外之兵尚未收回。于是，便与大家一起商量，以寻找一个好的安国安民的办法。想不到宗亲会盟时，大家每先推举我。左右千里万里之外的名气大的王爷和权势重的臣僚，有的不用召唤就自动前来祝贺，不用商量而意见相同的人比比皆是，都说国家的皇位不能长期虚空着，天地神灵的重大寄托不可暂时无着落。今天要在太祖成吉思汗的嫡孙当中，先皇蒙哥的同母弟弟当中，挑选一个能继位的人，论贤能，论年长，就我一个。说我虽然是在率军征伐之中，也每每心存仁爱的念头，普遍地施行惠政，以帮助广大民众，实际上是可当天下之主的人，天道向来协助顺者，人的智谋赋予能者。祖宗教训的传国大典，现在都在，谁敢不遵从！对于登基做皇帝，我曾用严厉的话语一而再、再而三地推让，但大家恳求更加坚决，甚至以死请求。于是，我俯身顺从舆论情势，勉强登上皇帝宝座。自知寡闻愚昧，又适逢时代多艰，好像涉深渊，履薄冰，不知这危机怎么渡过。当登基做皇帝开始的时候，应当重新制定宏远的规划。要变通前人的规制，正在今天。务必施行真实的德政，决不能崇尚空文假话。虽然天下太平不容易很快达到，但是解决饥渴问题可以当作首要政务。唉！天道回归，敬应上天之命；勲戚托付，哪敢忘记祖宗的规制！立法治国，效法天地之德，与百姓重新开始。我所不能做到的，更有赖远近宗族亲属、中外文武官员，同心协力，奉献可替代、可弥补我的不足的帮助！现在大胆地公告天下，请体谅我的深意。
这份《诏书》将忽必烈为什么当上皇帝以及他的态度和志向，都说得清清楚楚。忽必烈当上皇帝后，建元“中统”，他为此专门颁布《诏书》，借以表达他的政见与心迹。为了对付反对势力的挑战，忽必烈在机构设置、官员任用、军队部署乃至军粮储备方面，都适时地做出调整、安排，预有准备。忽必烈当了三十五年的皇帝，他不仅最终结束了宋、辽、金、夏长达三百多年南北分治、国土撕裂的局面，统一了中国，建立了由蒙古贵族为主而统治的疆域辽阔的大元帝国，而且他在位的中统（1260—1263）、至元（1264—1294）年间，干了许多大事，是元朝最兴旺最强盛的时期。正如《元史·世祖纪》对他的评价：“世祖度量弘广，知人善任使；信用儒术，用能以夏变夷，立经陈纪，所以为一代之制者，规模宏远矣。”意思是说，元世祖忽必烈胸怀宽阔，气度宏大，能知人善任。他信奉儒家学说，任用精通儒术的贤能之人将中原夏文化变成少数民族文化，为少数民族建立经典纲纪。他的这些作为之所以成为一代的制度，是因为其规模宏大，影响深远。
最能体现元世祖大德大智、谋略宏远的，是他决定将蒙古国定国号为“大元”，并定都于燕和修建大都城。
《元史·霸突鲁传》记载：在忽必烈当皇帝之前，有一次，他从容地对部将霸突鲁说：“现在天下稍微安定了，我想劝主上（指其兄蒙哥）驻跸回鹘（指宁夏、新疆之地），不再打仗，息兵安民，你认为怎么样？”霸突鲁回答，说：“幽燕这地方，龙盘虎踞，形势雄伟。向南可控制江淮，向北与朔漠相连。况且天子必居中以受四方朝觐。大王如果有朝一日想经营管理天下，您所在的地方，非燕京这地方不可，别无选择。”听了霸突鲁的这番话，忽必烈恍然有所悟地说：“不是你老兄这番高见，我几乎要铸成大错了。”所以，后来忽必烈至开平即皇帝位，“还定都于燕”，新建了大都城。他曾不无感激地说：“朕居此（指元大都）以临天下，霸突鲁之力也。”
虽然忽必烈是在开平登基即位，但他心中的都城还是燕京。中统元年（1260）十二月，忽必烈从前代建都地和林回来后，“驻跸燕京近郊”。所谓“燕京近郊”，指的应当就是金中都城东北近郊的金室离宫——万宁宫。二年十月，“修燕京旧城”，并命大批军队屯驻燕京近郊。十二月，“诏封皇子真金为燕王”。三年二月初十日，“郭守敬造宝山漏成，徙至燕京”。闰九月初七日，“敕京师顺州至开平置六驿”。至元元年（1264）二月，“修琼华岛”。八月十四日，“诏改燕京为中都，其大兴府仍旧。”二年十二月，“渎山大玉海成，敕置广寒殿。”三年四月，“五山珍御榻成，置琼华岛广寒殿”。这些事例都折射出同一种信息，即元世祖忽必烈心中的京师是燕京。
《元史·世祖纪》记载：至元三年十二月，“诏安肃公张柔、行工部尚书段天祐等同行工部事，修筑宫城”。同时，在郭守敬的指导下，“凿金口，导卢沟水以漕西山木石”。说明为建燕京中都城，元世祖是下了决心的，也采取了一些必要的措施。四年正月二十九日，“立提点宫城所”，“城大都”。四月，“新筑宫城”。五年十月二十一日，“宫城成”。
元世祖新筑大都城，主要是委托刘秉忠负责的。《元史·刘秉忠传》说：起初，受命管理漠南汉地的忽必烈，让刘秉忠考察桓州（在今内蒙古多伦西、滦河西岸）以东、滦河以北的地理形势，在龙岗之地建城郭，三年建成，名曰开平城。继而开平城升为上都，而以燕京为中都。至元四年，又命刘秉忠筑中都城，始在中都建宗庙宫室。
对于刘秉忠受命筑中都城的事，《析津志》记载说：至元四年二月，刘秉忠开始在燕京（指故今中都）东北隅，分辨方位，规划设计，新建都城，以为天下根本。四月初八日，开始建筑内皇城。内皇城的方向、位置都是刘秉忠确定的。同书又记载：元世祖建新都城时，问刘秉忠如何定大内方向，“秉忠以今丽正门外第三桥南一树为向以对”，元世祖认为可以呀！很好，很好！遂封这棵树为“独树将军”，赐以金牌。这个事例突出地说明刘秉忠在元大都城规划设计中所发挥的作用和做出的贡献。不止于此，因为刘秉忠博学多才，精通经史、天文、地理、风水、占卜之类，所以对朝廷一些重要衙署的安排都有讲究，都与天上的星次相对应。据《析津志》记载：根据刘秉忠的规划设计，于新都凤池坊（在今后海北岸）北立中书省，置居都堂于紫薇垣。按唐玄宗开元年间，曾改中书省为紫薇省，中书省的官员也随之更改，如中书令改称紫薇令，中书舍人改称紫薇舍人，中书郎改称紫薇郎等，都是取紫薇垣之义。可见，刘秉忠将元代的中书省衙署布局在紫薇垣是有历史根据的。其他如枢密院，安置在武曲星之次；御史台，安置在左右执法天门上；太庙，在震位，即青宫；天师宫，在艮位鬼户上，等等。当然，大都城的内外城制与宫室、公府如何布局安排，都由皇帝元世祖最后决定，但史书评论刘秉忠在规划大都城时都是按照地理方位，以凸显王气为主进行规划安置，所以他能佐辅皇帝，以宏图大略，制定各种规章制度，以保元朝江山代代延续。
《元史·世祖纪》说：至元十一年（1274）正月初一日，“宫阙告成。帝始御正殿，受皇太子、诸王、百官朝贺”。这就是说元大都基本建成，用了七年的时间。但是，此后的若干年中，修大都城的记载不绝于《元史》，如至元十八年九月，“赐修大都城侍卫军钞币帛有差”。十九年（1282）二月，“修宫城、太庙、司天台”。二十年六月，“发军修完大都城”。二十一年闰五月，“以侍卫亲军万人修大都城”。同年七月，“命枢密院差军修大都城”等。这些事例说明，元大都城的修建是一个陆续完成的工程，或者工程主体完成后，还有些后续工作要做，甚至已筑就的城垣也有因风雨坍塌而需及时修缮的事。反正终元之世，大都城的修缮事宜未曾停止过。
元大都城的规划设计依托的是金白莲潭，元称积水潭或海子。据有关学者研究，元大都城的规划设计是在积水潭（海子）东北岸设定了全城的几何中心，建立中心台（今鼓楼处）。然后以中心点为起点，向南画线切过白莲潭（积水潭）向东弯突的顶点形成一条直线，从而确定了全城的中轴线。宫城正坐落在全城的中轴线上。以中轴线为基线，向西以积水潭的西端为准，确定大都城西城墙的位置；然后，以同样的距离确定大都城东城墙的位置，只是因为东边地势较低，东城墙稍向内缩。从几何中心向南，以包入皇城为则，定下大城南城墙位置，然后以同样的距离确定北城墙的位置。全城大致呈南北向稍长、东西向稍短的平面轮廓。宫城居于白莲潭东岸，隔白莲潭东西相望的是隆福宫（太子宫）和兴圣宫（皇太后宫）。原白莲潭水域的南部被圈入皇城之内，改名“太液池”，而隔于皇城之北的水域别称积水潭或海子。《元史·地理志》说：“海子在皇城之北、万寿山（白塔山）之阴，旧名积水潭，聚西北诸泉之水，流入都城而汇于此，汪洋如海，都人因名焉。”这样一来，原在金中都东北郊外的白莲潭，其南部就成为元大都城中的皇家御苑（太液池），而北部则是任凭百姓捕鱼捞虾、采莲挖藕的积水潭或海子，也是平民百姓的游览之地。
《元史·地理志》说：元大都城周垣六十里，开十一个门：南城墙大致在今东西长安大街南侧，原开三个城门，正中的一门名叫丽正门（在天安门稍南），西边的一门名叫顺承门（在西单南侧），东边的一门名叫文明门（在东单南侧）。北城墙在今北三环路蓟门桥、马甸桥、安贞桥北，遗址尚见，原开两个城门，东边的一门名叫安贞门（在安定路与健安东路交会处），西边的一门名叫健德门（在祁家豁子南）。东城墙在今朝阳门、东直门南北一线，原开三个城门，正中的一门名叫崇仁门（东直门处），南边的一门名叫齐化门（朝阳门处），北边的一门名叫光熙门（和平里北街东口处）。西城墙在今阜成门、西直门南北一线，原开三个城门，正中的一门名叫和义门（西直门处），北边的一门名叫肃清门（在海淀区明光村小西门处），南边的一门名叫平则门（阜成门处）。
《析津志》记载说：大都城的“街制”，“自南以至于北，谓之经；自东至西，谓之纬。大街二十四步阔，小街十二步阔。三百八十四火巷，二十九哄通”。可见大都城内的街巷胡同是规整有序的。同书还记载：“钟楼，（在）京师北省（指中书省北署）东，鼓楼北，至元中建。……钟楼之制，雄敞高明，与鼓楼相望。本朝富庶殷实莫盛于此。楼有八隅四井之号，盖东、西、南、北街道最为宽广。”元大都的钟楼大致在今旧鼓楼大街北口处。又“齐政楼，都城之丽谯也。东，中心阁（在今鼓楼处）。大街东去即都府治所（元大都路总管府在今交道口西北角）。南，海子桥（今万宁桥，又称后门桥）、澄清闸。西，斜街过凤池坊。北，钟楼。此楼正居都城之中。……楼之东南转角街市，俱是针铺。西斜街临海子（指今后海），率多歌台酒馆”。这里的齐政楼指的就是鼓楼，元大都城的鼓楼在今旧鼓楼大街南口处，旧鼓楼大街就是因元大都的鼓楼在此而得名。所谓“斜街”指的就是由德胜门至鼓楼的斜街，旧称果子市大街、甘水桥大街、鼓楼西大街，今统称鼓楼西大街。
《元史·世祖纪》记载：至元二十二年（1285）二月，元世祖颁布诏令说：旧城（指故金中都城）的居民要迁居新建的大都城，以资历高深和正在位任职的官员为先，仍规定以土地八亩为一份。如果土地超过八亩，而本人又无人力财力建造房室宅第者，都不得强行占据，应听任民众建屋作室。这样，大都城内土地空间的分配也就比较合理了。
值得注意的是，据《析津志》记载，在初建大都城时，先开凿七条泄水渠。“一在中心阁后，一在普庆寺西，一在漕运司东，一在双庙儿后，一在甲局之西，一在双桥儿南北，一在乾桥儿东西。”按这七条泄水渠实际上就是为大都城预留的七条排洪排污的沟渠，是十分必要的。其中，在普庆寺（在今西城宝产胡同）西的一条，就是明清时北京西城的大明濠或称西沟，今为赵登禹路。在乾桥儿东西的泄水渠，因为乾桥儿就是今西单北、西四南的甘石桥，其东西两条泄水渠也正是其东西两条斜街的由来。
元大都的兴建在北京城市发展史上的重要意义，主要有四点：第一，元大都与只是拥有淮河以北半壁国土的金王朝的首都即金中都相比，又大大提升一步，成为中华一统江山的国都。这是北京作为全国首都的开始。第二，元大都是集全国之人力、物力和财力而建成的，是全国各族人民共同创建的，是民族大团结、大融合的历史标志。第三，元大都城为其后的北京城市发展奠定了坚实的良好的基础。第四，随着元大都的建成，京杭大运河全线贯通，大都城内积水潭成为大运河漕运的终点码头。