在仿照中原王朝建立年號和國號前後，忽必烈還將都城從和林遷到了漢地。
公元 1263 年五月，忽必烈升開平為「上都」，作為駐夏之所。第二年，忽必烈下詔將燕京改名為「中都」，做建都的準備。1272年二月，忽必烈依舊採取劉秉忠的建議，改中都為「大都」，宣布在此建都。
仿中原王朝 確立行政機構
除了仿照中原王朝建立年號和國號外，忽必烈在「沿用蒙古原有的統治機構」還是「參照中原王朝確立新的行政機構」之間，選擇了後者。
此前的蒙古帝國，從成吉思汗到蒙哥時期，掌握國家最高行政機構的長官被稱為「大斷事官」，相當於中原王朝的宰相。此外，大汗的「怯薛」組織還設有「必闍（dū）赤」，掌管大汗詔令和其它宮廷文書事務，其重要性隨著蒙古疆域的擴大而越來越重要，並逐漸參政，稱為「輔相之臣」。
窩闊台時期，在漢化的大臣耶律楚材的建議下，窩闊台曾仿照中原官制，將必闍赤改稱為「中書省 」，任命必闍赤耶律楚材、粘合重山、鎮海三人為中書令和中書左、右丞相，但這並非是蒙古中央機構的定制。
忽必烈即位之初，面對行政機構的混亂局面，讓劉秉忠、許衡等人「酌古今之宜，定內外之官」。他們在權衡唐、宋的機構、制度和仿照中原王朝的金制後，建議忽必烈採用簡要、實用的金制，即在中央設「中書省」掌管行政。設「樞密院」掌管軍事。「御史台」掌管監察。以此作為中央政府主要的行政機構。忽必烈欣然接受。
公元 1260年四月，中書省正式建立，其最高長官為「中書令」，由皇太子兼任。未立太子時，空缺。
真金，被立為太子前，就領中書省事務。中書令下設官員初，無定數，後來定為右丞相、左丞相各一人，統率百司；平章政事，四人，作為丞相的副手；參知政事，三人，為執政官。
與中原王朝「以左為尊」不同，蒙古人「以右為尊」，所以右丞相地位高於左丞相，宰執下設其他輔助官員，如參議中書省事、郎中、員外郎、都事等。
忽必烈很注重平衡自己的輔政宰執班底，將不同民族都納入其中。如公元1261 年的中書省班底為：蒙古人三人、漢人六人、漢化契丹人一人、漢化畏兀兒一人、回回一人。
中書省下設：吏部、戶部、禮部、兵部、刑部、工部，六部。各部最高長官都稱為尚書，負責具體事務。
樞密院於公元 1263 年正式設置，作為中央最高軍事機關，職責為掌管天下軍事大權。其最高長官為「樞密使」，由皇太子兼任，未立太子時，空缺。常務官員為樞密副使、僉書樞密院事等。
掌管監察的「御史台」於公元 1268 年正式設置，作為中央最高監察機關。長官有：御史大夫、御史中丞、侍御史、治書侍御史等。
中書省、樞密院和御史台均自行奏事、自選屬官，分別對帝負責，但從文書往來上看，還是有一些差別。即中書省發給樞密院和御史台的文書行文用「由上行下」的「札」，而樞密院和御史台發給中書省的行文則使用「由下行上」的「呈現」，這體現了中書省統率百司的職權，樞密院和御史台也要接受其領導。
除了上述三大機構，忽必烈還在中央設立「宣政院」（初名為總制院）、「大宗正府」和「宣徽院」。
宣政院，掌管全國宗教和吐蕃事務，以國師「八思巴」（編註：西藏佛教薩迦派第五代法王）領之，這是以前中原王朝所不曾有的。
大宗正府，負責審理蒙古諸王等蒙古、色目人的犯罪案件，以及和漢人、南人產生的糾紛。之前，蒙古帝國的最高刑事長官「札魯乎赤」成為其司法長官。
宣徽院，除掌管前代宣徽院掌管的朝會、飲宴、祭祀、禮儀、御膳等事務外，還掌管徵收漠北蒙古人的賦稅、諸王宿衛名籍及人員推薦、撫恤蒙古部落等。
另外又設置負責編修國史、起草制誥文書等的「翰林國史院」，還有掌管全國驛站的「通政院」、掌管全國農桑水利的「大司農司」等等。
忽必烈下令國史院編撰金朝、遼朝和宋朝的通史，共耗時80年，而此前只有中原王朝有編史的慣例。
隨著一個個有明確職責的中央機構的設立，以往蒙古帝國中央機構殘缺、缺乏章法的局面大為改觀，辦事效率迅速得以提高，詔令可以很快得到執行。
在改革中央機構的同時，忽必烈也對地方行政機構進行了改革，確立了不同於以往的大汗分封制，和劃分行政區的「行省」制度。
忽必烈剛即汗位時，為了加強對地方的管理，在地方設置「十路宣撫司」作為最高行政機構，同時又仿照金末行省制度，常常以中書省宰執掛上「行某處中書省」的頭銜，出外行使中書省的職權，主持地方政治、經濟和軍事等事務，但沒有固定的治所和轄區。
隨著天下的統一，這類行省越來越多，忽必烈決定將其作為地方最高行政機構固定下來，並向全國推廣，由此正式確立行省制度。
忽必烈在全國共設十個行省：陝西行省、甘肅行省、遼陽行省、河南江北行省、四川行省、雲南行省、湖廣行省、江浙行省、江西行省、征東行省。
其中，征東行省設在高麗，是為了征伐日本而設，性質與其它行省不同，其行省丞相由高麗國王兼任。
行省長官權力很大，掌管地方行政、軍事、經濟等各方面事務，直接對中央和中書省負責。
在十個行省之外，忽必烈又在漠北設立了「和林轉運司」，後改為「和林宣慰司都元帥府」，管理當地事務。元武宗時，在此基礎上設「嶺北行省」。在畏兀兒地區，設立「別失八里」（編註：今新疆吉木薩爾境內）等宣慰司都元帥府。吐蕃地區由中央宣政院直接管轄。
忽必烈確立的行省制度，是藉秦、漢以來的地方「郡縣」制度發展而來，為後世所沿襲。只是明、清時代名稱不同。「省」作為地方最高一級行政機關的名稱，一直沿用到現代。
行省之下，忽必烈依舊仿照漢制和金制，設路（直隸府、直隸州）、州（府）、縣。縣之下設鄉、都等基層組織，統稱「里」，負責人稱為「里正」，負責催辦稅糧、維護地方治安等。
忽必烈採用漢法設置的中央和地方行政機構，分工清晰、職責明確，這使得帝國走向了平穩的運轉。
確立皇位繼承人
蒙古帝國時期，汗位的繼承需要通過「忽里勒台大會」選舉，方能生效。忽里勒台大會，是蒙古及突厥族的部落和各部聯盟的議事會，用於討論推舉首領、決定征戰、頒布法令等大事。有學者稱其為蒙古的「國會」。但這種制度其實有很多漏洞，容易引起帝國內部的紛爭，禍起蕭牆，甚至發生流血衝突。
為了避免這類情況出現，在忽必烈即汗位後，郝經提出了「立儲貳以塞亂階」的建議。而忽必烈當時還沒有將立儲提上議事日程，只是在公元 1262 年十二月封嫡子「真金」為燕王，領中書省事。
公元1267年，在姚樞提出的「治國八條」建議中，立儲被放在第二條。第二年，陳祐又上《三本疏》，提出「太子國本，建立宜早」、「中書政本，責成宜專」和「人才治本，選舉宜審」三條建議，立太子排在首位。大臣們認為早立太子，早安人心，有利於社稷。
公元 1273 年二月，忽必烈仿照中原王朝提前預立王位繼承人的做法，正式冊立真金為太子。
忽必烈在即大汗位之後所推行的漢制，在征服南宋一統天下後，得以在更廣大的範圍內推廣。◇
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