在元朝以前，儘管也有邊疆少數民族進入中原並建立自己的政權，卻從來沒有能夠統治整個中國。但蒙古人崛起以後，經過了70多年的軍事征伐，終於把中國的絕大部分統一起來，形成了疆域空前的遼闊的元帝國。
公元13世紀初，在中國範圍內存在著七個分裂的政權或區域：
(1)蒙古地區 以蒙古高原為主的今大興安嶺以西，居延海、陰山山脈以北至俄羅斯西伯利亞地區，分布著蒙古語系、突厥語系的游牧民族，內部也不統一。
(2)西遼 今新疆及其西至巴爾喀什湖、阿姆河之間地。
(3)金 淮河、秦嶺以北的黃河流域及大興安嶺以東地區。
(4)西夏 北起河套，南至隴山、河湟地區，西至河西走廊西端。
(5)南宋 淮河、秦嶺以南(除雲貴高原以外)地。
(6)大理 雲貴高原及周圍部分地區。
(7)吐蕃地區 青藏高原及周圍部分地區。當時已不存在一個統一的政權，分散為很多部落。
這七個區域中，有五個內部有統一的政權，其中又以宋、金統一程度最高。吐蕃和蒙古地區內部是分裂的，但將這七個區域統一起來的歷史任務卻由蒙古完成了。
成吉思汗統一蒙古各部後，就率領蒙古鐵騎不間斷地東征西討。成吉思汗四年(公元1209年)蒙古進攻西夏，圍其都城中興府(今寧夏銀川市)，迫使西夏求和而去。又攻西遼屬國畏兀爾，取得了今新疆烏魯木齊、吐魯番和哈密一帶。成吉思汗六年(公元1121年)，蒙古攻取西遼另一屬國哈剌魯，將疆域擴展到今巴爾喀什湖以東地。同年秋蒙古進攻金國，不久就攻入居庸關，威脅金的首都中都(今北京市)，並攻陷了今山西、河北、山東、河南大批州縣。成吉思汗九年(公元1214年，金貞祐二年)初，蒙古軍進抵中都，金宣宗求和，成吉思汗退兵。五月，金宣宗遷都南京。蒙古軍再次南下，並在次年二月破中都。成吉思汗十三年(公元1218年)，蒙古軍殺乃蠻王屈出律，原西遼的疆域全部由蒙古佔領。蒙古軍又先後攻下河東(今山西西南部)、河北和山東。至成吉思汗十六年(公元1221年，金興定五年)，金的黃河以北土地基本上已落入蒙古之手。成吉思汗二十一年(公元1226年)，成吉思汗親自率軍攻西夏，奪取甘、肅等州。次年六月蒙古滅西夏，七月，成吉思汗病死在清水(今甘肅清水縣)行營。
他的兒子窩闊台汗(元太宗)繼位後，繼續對金進攻，並與南宋議定南北夾擊。窩闊台汗六年(公元1234年，金天興三年，宋端平元年)正月，蒙、宋軍破蔡州(今河南汝南縣)，金哀宗自殺，末帝死於亂軍，金亡。同年窩闊台就與臣下議定攻宋，蒙古軍襲敗北上宋軍。此後，滅宋的軍事行動持續了40多年，在長江上游的四川、中游的襄陽(今湖北襄樊市)和淮河中游，戰爭進行得尤其激烈。蒙哥汗(元憲宗)二年(公元1252年)，命忽必烈自忒列(今四川宜賓市西)進軍，至十二月攻破大理城。四年，大理國王段興智被擒，大理國亡。
大約在此前的乃馬真後三年(公元1244年)，吐蕃宗教領袖八思巴的叔父薩思迦班智達曾會見過蒙古的大將闊端，表示接受蒙古大汗的管轄，但一部分吐蕃貴族不願服從蒙古。因此在滅大理後，蒙古軍進入吐蕃，鎮壓了不服從的貴族，完全控制了吐蕃地區。
在攻佔襄陽和奪取了四川大部以後，元世祖忽必烈於至元十一年(公元1274年，宋咸淳十年)下詔伐宋，發動全面進攻。至元十三年(公元1276年，宋德祐二年)正月，元兵逼近南宋首都臨安(今浙江杭州市)，宋廷奉表投降。儘管文天祥、張世傑等在南方繼續抵抗，但終於回天無力，到至元十六年(公元1279年，宋祥興二年)厓山(今廣東新會市南海上)戰敗，宋朝的殘餘勢力也覆滅了。
成吉思汗時，蒙古還沒有固定的首都。窩闊台汗七年(公元1235年)，在今蒙古國鄂爾渾河上游後杭愛省厄爾得尼召北哈爾和林建都，稱喀拉和林，簡稱和林。蒙哥汗六年(公元1256年)忽必烈在今內蒙古正藍旗東閃電河北岸營建宮室城郭，忽必烈汗中統元年(公元1260年)在此即位，稱開平府，中統四年升為上都。至元四年(公元1267年)在金中都城(今北京)東北另築新城，至元九年(公元1272年)改稱大都，成為元朝的首都。
蒙古先後征服了這七大區域，但並不是這七個區域都成了元朝的疆域，因為在這期間，有的地區已經成為其他汗國的領土。從成吉思汗十五年(公元1219年)進行第一次西征開始，蒙古帝國的疆域迅速擴張，從中亞、西亞直到歐洲。成吉思汗晚年實行分封，將今天山、阿爾泰山、額爾齊斯河以西的土地都封給了三個兒子。由於大家服從成吉思汗，帝國還是統一的。在窩闊台當大汗時，也還可以指揮其他各部，但到蒙哥(憲宗)和忽必烈(世祖)時，各部已經不相統屬。互相爭奪大汗的位置，蒙古帝國分裂成元帝國和四大汗國。
今新疆的天山以北地區大部分已經封給了窩闊台國，因此始終不在元帝國的管轄之下。阿母(姆)河南岸被成吉思汗征服以後，沒有分封，所以一直由大汗統治。蒙哥汗時在那裡設置了阿母河行省，但因離大汗統治區太遠，因此蒙哥汗末年將它併入了伊利汗國。蒙哥汗元年(公元1251年)在今新疆烏魯木齊一帶設置了別失八里行省，治所在別失八里(今新疆吉木薩爾縣北破城子)。察合台汗國一度據為己有，後期才重新成為元朝的轄區。今伊犁河流域也未分封，元世祖至元十二年(公元1275年)設置了阿里麻里(一作阿力麻里、阿力馬力)行省，以阿里麻里(今新疆霍城縣水定鎮西北)為治所。但該行省存在的時間更短，兩年後就廢了，以後併入察合台汗國。因此在大部分時期，元朝的疆域還沒有包括今新疆的全部。
從元朝開始，整個青藏高原成了中原王朝的一部分，與中國的其他部分結成了一個不可分割的整體。根據吐蕃地區普遍信奉喇嘛教的實際，元朝將它劃歸掌管全國佛教事務的機構——宣政院(至元初設置時稱總制院，至元二十元時期形勢圖五年改名)管轄，並根據當地需要設分院駐理。在境內設立吐蕃等處(脫思麻)，吐蕃等路(朵甘思)，烏思藏、納里、速古魯孫等三路三個宣慰司，脫思麻司轄有今青海黃南州至四川阿壩州一帶，朵甘思司轄有今青海果洛州、玉樹州至四川甘孜州、西藏昌都地區，烏思藏司轄有今西藏大部分和克什米爾之地。宣慰司下分轄元帥府、總管府、萬戶府、千戶府、宣撫司、安撫司、招討司、萬戶、千戶等機構。這些機構有的管理軍事，有的辦理民事，有的兼管軍民。因此儘管元朝為了更有效地統治吐蕃，充分利用了宗教因素，對吐蕃地區實行不同於漢族地區的政策，但同樣建立了一整套行政和軍事機構，行使著完全的主權。
除了今新疆地區的較大變動外，元朝的疆域是穩定的：在北方，西起今額爾齊斯河，東至鄂霍次克海。在東部，擁有朝鮮半島東北部。在西南，包括今克什米爾地區以及喜馬拉雅山南麓的不丹、錫金等地，今緬甸東北部和泰國北部。
與漢、唐極盛時期的疆域相比，元朝不僅在面積上大大超過了它們，而且在控制程度上也有過之而無不及。除了吐蕃地區和今新疆東部三個直屬於朝廷的單位(別失八里、哈剌火州、哈密力)以外，元朝在全國都設置了行中書省(簡稱行省)，其中包括漢唐時從未設置過正式行政區的蒙古高原以北和遼河下游以北地區。
對周圍的鄰國，元朝都曾進行過軍事征服，有的還設置過行政機構。但元朝的統治能維持的時間都不長，而且這些國家仍然是獨立的，所以還不屬於元朝的疆域。如元朝對安南(今越南)用兵三次，一度佔領了安南，並派了達魯花赤(地方行政長官)去監督行政，但在安南的激烈反抗下，最後不得不撤出。元朝在緬甸設置過緬中行省，存在的時間也很短。至元二十二年(公元1285年)在高麗設征東行省，但該省的長官(丞相)就是高麗國王，而且對高麗國內仍稱國王，所以高麗實際上只是元朝的屬國。