元代的文化藝術和科學技術有很高的成就。各族人民在文學藝術（包括戲曲、詩歌、繪畫等）、史學、哲學等方面創作了許多優秀作品。元曲在中國文學史上佔有很重要的地位。在科學技術方面，也有許多發明創造。元朝疆域遼闊，國內各民族之間和中外之間經濟、文化交流的加強，為天文、地理、農學等學科的發展提供了良好條件。13、14世紀的歐洲尚處在「黑暗時代」，而元代的文化科學水平在世界上居於領先地位。
文學藝術
戲曲藝術在元代有很大的發展。元雜劇和南戲先後出現繁榮局面。其中雜劇以其藝術上的創造性、內容的現實性，成為這個時代文學的突出成就。
雜劇是中國歷代歌舞藝術、講唱伎藝長期發展而成的新的戲曲形式，它把歌曲、賓白、舞蹈結合在一起，成為一種綜合的藝術。元代創作雜劇見於名目的共約六百多種，現存兩百多種，雜劇作家有兩百人左右。13世紀50年代到14世紀初，是元雜劇鼎盛時期。著名劇作家有關漢卿、王實甫、白樸、馬致遠、康進之、高文秀等，活動中心在大都，著名作品有《竇娥冤》《拜月亭》《西廂記》《牆頭馬上》《漢宮秋》《李逵負荊》等。14世紀初至60年代，活動中心移至杭州，主要作家有鄭光祖、喬吉、宮天挺、秦簡夫等，主要作品有《倩女離魂》等。其中關、馬、鄭、白被譽為「元曲四大家」。散曲起源於民間小曲和少數民族音樂，分小令、帶過曲、套曲三種基本格式。前期散曲家有關漢卿、馬致遠、盧摯等，後期有張養浩、劉致、張可久、喬吉等。少數民族作家也有許多成就，女真人李直夫創作了雜劇《虎頭牌》，蒙古人阿魯威，女真人奧敦周卿、王景，畏兀兒人貫雲石，回回人薩都剌、丁野夫等都是著名的散曲家。南戲原是浙江溫州一帶的地方劇，宋時已盛行，元初衰落。到元朝後期，雜劇由盛轉衰，南戲則得到了發展。它不像雜劇那樣在折數和宮調上有嚴格規定，押韻和宮調都較自由，登場演唱的角色可生可旦，聲腔也各有發展。現存元代南戲劇本十六種，片段一百一十九種，存目三十三種，以高則誠的《琵琶記》成就最高。
元代詩詞總的說來較平庸，但虞集、楊載、范梈、揭傒斯被稱為「元詩四大家」。薩都剌的詞風格豪邁。張養浩、迺賢、王冕、楊維楨等的作品，都在一定程度上反映了當時的社會矛盾。
長篇小說興起於元末。施耐庵和羅貫中分別於元末明初創作了《水滸傳》和《三國演義》。這兩部長篇章回小說在藝術上有很高的成就，它們的問世，標誌著中國古典小說已發展成熟。
繪畫、書法的成就較為突出。元代不設畫院，故元代畫家擺脫了南宋畫院的形式主義習氣。前期書畫家以趙孟頫為最著名，他擅畫山水、花竹、人馬，書法用筆圓轉流美，骨力秀勁，世稱「趙體」。後期畫家有黃公望、王蒙、倪瓚、吳鎮，稱「元畫四家」。少數民族著名畫家有回回人高克恭、丁野夫等。書法家有康里人巙巙、畏兀兒人貫雲石等。龜茲人盛熙明著有《書法考》八卷。元代壁畫藝術也很出色，現存山西芮城永樂宮壁畫是極其珍貴的實物。
永樂宮壁畫
元代道教宮觀壁畫。山西芮城永樂宮三清殿內檐彩畫，不做油灰地仗，畫作採用「勾填法」，先以墨線勾勒圖案輪廓，然後填染顏色。三清殿彩畫以青綠色為主調，兼施金、紅兩色，大體上屬於碾玉雜間裝做法。它一方面繼承宋代建築彩畫的傳統工藝，另一方面又出現了若干變體和創新。其中以青綠色調為主的彩畫到明清時期成了官式彩畫的主流。永樂宮三座主要殿堂三清殿、純陽殿、重陽殿內部壁畫都很精美，其中三清殿壁畫《朝元圖》是現存規模最宏偉、題材最豐富的元代壁畫。畫中人物形態生動，色彩和諧，技法和構圖都達到很高水平。
史學
元代官私史學著作很豐富，少數民族也有自己的史學著作。胡三省以畢生精力撰成《資治通鑒注》，對《資治通鑒》作校勘、解釋、考證，並對史事有所評論，或直言不諱地表達自己對宋亡的哀痛，或隱晦曲折地抨擊元朝統治。馬端臨的《文獻通考》是杜佑所著《通典》的進一步豐富和擴大。《文獻通考》共分二十四門，其中經籍、帝系、封建、象緯、物異五門為《通典》所無；其餘十九門，則在《通典》基礎上離析其門類，加以充實而成。凡天寶以前史實，作拾遺補缺；天寶以後至宋嘉定五年（1212）作續修，所載宋制最詳。《文獻通考》材料取捨嚴格，注意歷史變通，在治史方法上值得肯定。作者還常常通過歷史敘述表達對人民的同情和對統治者的抨擊。
元朝按前代設局修史的傳統制度，分別於至正四年（1344）、五年修成《遼史》《金史》和《宋史》。當時的中書右丞相脫脫為都總裁，鐵睦爾達世、賀惟一、張起岩、歐陽玄、呂思誠、揭傒斯等為總裁官。其中鐵睦爾達世是康里人，參加三史纂修的還有唐兀人斡玉倫徒，畏兀兒人廉惠山海牙、沙剌班等。
成書於13世紀中葉的《元朝秘史》是蒙古族最早的歷史和文學著作。烏思藏著名學者布思端所著《吐蕃佛教源流》和公哥朵兒只所著《紅冊》，是元代藏族最重要的兩部歷史名著。元代還有許多漢文書籍譯成少數民族文字，也有一些蒙古等少數民族著作譯成漢文。
《通典》
記述唐天寶以前歷代經濟、政治、禮法、兵刑等典章制度及地誌、民族的專書。唐杜佑撰，共二百卷，內分九門，子目一千五百餘條，約一百九十萬字。唐開元末年，劉秩仿周禮六官所職，根據經史百家文獻資料，撰《政典》三十五卷。杜佑以該書為基礎，增益資料，擴充規模，撰成《通典》，於貞元十七年（801）進呈。《通典》規制宏大。上自《史記》八書、《漢書》十志，下至晉、宋、齊、魏、隋書諸志，皆所取資，並參照了《隋官序錄》《隋朝儀禮》《大唐儀禮》《開元禮》《太宗政要》《唐六典》等典制政書。《通典》確立了中國史籍中與紀傳體、編年體並列的典制體，開闢了史學著述的新途徑。宋元代史學家鄭樵、馬端臨以《通典》為楷模，分別撰成《通志》和《文獻通考》，習稱「三通」。這些為研究中國歷代典章制度提供了很大的方便。
《紅冊》
元朝藏文史籍。公哥朵兒只（1309～1365）著。《紅冊》始撰於至正六年（1346），成書於至正二十三年。該書受吐蕃佛教史籍傳統的影響，從首創佛教的印度開始，記述了古老的傳說、佛法的承遞、印度的王統。其次是記述漢地周昭王（因釋迦牟尼誕生於這時）開始的王統、唐代諸帝和吐蕃的歷史、五代至元滅南宋的帝系。第三為彌雅（西夏）的歷史。第四為蒙古的王統，記述至元亡為止，元末部分當是後人所增補。《紅冊》的這種修史體裁一直為後來的藏文史籍所沿用。
哲學
元朝統治者以理學作為維護封建統治的思想工具。蒙古統治北方之初，北方儒士對南方理學了解極少。1235年蒙古軍佔領德安（今湖北安陸）時，俘理學家趙復至燕，理學始在北方廣為傳布，於是出現了許衡、郝經、姚樞、竇默、劉因等理學家。及統一江南，南方朱學人物張
除了正統的理學思想外，元代還出現了鄧牧的「異端」思想和謝應芳的無神論思想。鄧牧自稱「三教外人」，表示不列入儒佛道行列。他在《伯牙琴》中對「君」和「吏」進行了無情的抨擊，揭露皇帝是最大的剝削者和掠奪者，幻想重新出現堯、舜時代。謝應芳一生致力於破除世俗迷信和反對佛、道宗教迷信，所著《辨惑編》是反對迷信的專著。
科學技術
元代在科學技術方面最突出的成就有：
⑴天文學。傑出的天文學家郭守敬、王恂等為編訂《授時歷》，創製了簡儀、仰儀、圭表、景符等十餘種天文觀測儀器，在元朝控制的範圍內陸續設立了二十七所觀測台、站，在測定黃赤大距和恆星觀察等方面取得了豐富準確的數據。至元十八年（1281）正式頒布了《授時歷》。這部曆法以365.2425日為一年，廢除上元積年、日法，採用近世截元法，在人類曆法史上取得了重大成就。
⑵地理學。《大元大一統志》的編纂、河源的探索、《輿地圖》的問世是元代地理學的主要成績。《大元大一統志》由孛蘭盻、岳鉉主編，虞應龍等參加修撰，成書於大德七年（1303）。該書對全國路府州縣的建置沿革、坊郭鄉鎮、山川里至、土產風俗、古迹人物，皆有詳述，取材多於宋、金、元地誌，因而具有很大價值。至元十七年，元世祖忽必烈令女真人都實探求黃河河源，認為星宿海（火敦腦兒）即河源。都實的考察經過由潘昂霄撰成《河源志》。道士朱思本考察了今華北、華東、中南十省地理，參閱《大元大一統志》等地理著作，以「計里畫方」法，製成《輿地圖》。
⑶農學。元代三部農書的發行標誌著元代農學有很大發展。由司農司編寫的《農桑輯要》，反映了6世紀到13世紀末中國植物栽培