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。