1259年，蒙古大汗蒙哥在进攻南宋时死于四川。忽必烈在王位争夺中，战胜了居于哈尔和林的其弟阿里不哥。忽必烈于1260年继位大汗后，并未居于哈尔和林，仍然居于开平府，开平府遂成为蒙古大汗的都城。原因之一是忽必烈已经营汉地多年，并据有中原的半壁江山，其基础已在中原而不在蒙古高原的牧业地区。原因之二，蒙古大帝国因其西部钦察、伊利宗藩汗国建立，大汗失去直接领导地位，加上察合台的独立，作为首都的哈尔和林失去两部的联系，地位大受影响，遂使开平取代了哈尔和林。
忽必烈在取得大汗位后，一方面巩固其地位，一方面积极准备南进、统一中原。特别是据有北方之后，决心南进并进军江南的形势，使开平的区位显得过于偏北，不利于其对中原的统一大业。其实，在忽必烈登大汗之位以前，就有劝其建都燕京的建议，称燕为“龙盘虎踞，形势雄伟，南控江淮，北连朔漠。且天子必居中以受四方朝见，大王果欲经营天下，驻跸之所，非燕不可”。当时，忽必烈尚受漠北哈尔和林的制约，不可能采取非望之举。
到忽必烈即大汗位后，谋士们亦提出：“燕都东控辽碣，西连三晋，背负关岭，瞰临河朔，南面以莅天下”。正是这些条件，加上忽必烈已是大汗，无任何制约，由于形势的需要，遂于占南宋临安（1276年）之前4年，即1272年，改金中都为大都（今北京），并定为国都，改开平为上都。这是北京在历史上第一次成为全国性王朝的都城。
大都位于燕山山脉南麓的平原上，面对华北平原，而元的上都则位于燕山山脉的北麓，面对的是蒙古高原，两地相距直线距离不到300公里，遥遥相对。这种区位形势有利于元依据其兴起的核心地区控制其占据地区。大都是在金中部东北郊大宁宫附近重建的新城，完全按照中国都城的礼制建没。城市中的官城偏南，前朝后市，左祖右社，钟楼、鼓楼位于宫城之北，这些也是元之后明、清两朝所遵行的制度。
由于北京是第一次成为全国王朝的都城，其人口大大超过以前北京城市的人口数。北方地区由于受气候条件限制，农业旱作单位面积产量比南方水田低，复种指数亦较低。为解决大都城市粮食的供应，除部分靠海运外，更多是靠从杭州到北京的大运河，从南方的漕运接济京师。这一点也为明、清两朝所继承。
这样，原来的政治中心和军事中心的区位，由于通过运河解决了其经济上的弱点，使首都作用得到更大发挥。
