他的儿子窝阔台汗（元太宗）继位后，继续对金进攻，并与南宋议定南北夹击。窝阔台汗六年（公元1234年，金天兴三年，宋端平元年）正月，蒙、宋军破蔡州（今河南汝南县），金哀宗*，末帝死于乱军，金亡。同年窝阔台就与臣下议定攻宋，蒙古军袭败北上宋军。此后，灭宋的军事行动持续了40多年，在长江上游的四川、中游的襄阳（今湖北襄樊市）和淮河中游，战争进行得尤其激烈。蒙哥汗（元宪宗）二年（公元1252年），命忽必烈自忒列（今四川宜宾市西）进军，至十二月攻破大理城。四年，大理国王段兴智被擒，大理国亡。

大约在此前的乃马真后三年（公元1244年），吐蕃宗教领袖八思巴的叔父萨思迦班智达曾会见过蒙古的大将阔端，表示接受蒙古大汗的管辖，但一部分吐蕃贵族不愿服从蒙古。因此在灭大理后，蒙古军进入吐蕃，镇压了不服从的贵族，完全控制了吐蕃地区。

在攻占襄阳和夺取了四川大部以后，元世祖忽必烈于至元十一年（公元1274年，宋咸淳十年）下诏伐宋，发动全面进攻。至元十三年（公元1276年，宋德祐二年）正月，元兵逼近南宋首都临安（今浙江杭州市），宋廷奉表投降。尽管文天祥、张世杰等在南方继续抵抗，但终于回天无力，到至元十六年（公元1279年，宋祥兴二年）厓山（今广东新会市南海上）战败，宋朝的残余势力也覆灭了。

成吉思汗时，蒙古还没有固定的首都。窝阔台汗七年（公元1235年），在今蒙古国鄂尔浑河上游后杭爱省厄尔得尼召北哈尔和林建都，称喀拉和林，简称和林。蒙哥汗六年（公元1256年）忽必烈在今内蒙古正蓝旗东闪电河北岸营建宫室城郭，忽必烈汗中统元年（公元 1260年）在此即位，称开平府，中统四年升为上都。至元四年（公元1267年）在金中都城（今北京）东北另筑新城，至元九年（公元1272年）改称大都，成为元朝的首都。

蒙古先后征服了这七大区域，但并不是这七个区域都成了元朝的疆域，因为在这期间，有的地区已经成为其他汗国的领土。从成吉思汗十五年（公元1219年）进行第一次西征开始，蒙古帝国的疆域迅速扩张，从中亚、西亚直到欧洲。成吉思汗晚年实行分封，将今天山、阿尔泰山、额尔齐斯河以西的土地都封给了三个儿子。由于大家服从成吉思汗，帝国还是统一的。在窝阔台当大汗时，也还可以指挥其他各部，但到蒙哥（宪宗）和忽必烈（世祖）时，各部已经不相统属。互相争夺大汗的位置，蒙古帝国分裂成元帝国和四大汗国。