成宗时期

1294年元世祖驾崩后，虽然太子真金早死，但是元世祖曾赐真金的三子铁穆尔“皇太子宝”并且让他镇守和林。随后铁穆尔在库里尔台大会中获得重臣伯颜与玉昔帖木儿等支持，打败真金的长子甘麻剌与次子答剌麻八剌等，铁穆尔即皇帝位于上都，即元成宗[25]。成为蒙古入元以来第一个继位的皇帝[26]。元成宗主要恪守元世祖时期的成宪，任用其侄海山（答剌麻八剌之子）镇守和林以平定西北海都之乱，并且下令停止征讨日本与安南。在内政方面专力整顿国内政治，减免江南部分赋税。然而，由于元成宗过度赏赐，入不敷出，使国库资财匮乏。到了其晚年，由于蒙古政权格局的痼疾，政治弊端逐渐暴露出来[27]。

1307年正月，元成宗驾崩，由于太子德寿早逝，左丞相阿忽台拥护皇后卜鲁罕与信奉伊斯兰教的安西王阿难答监国，并有意让阿难答称帝。海山之弟爱育黎拔力八达与右丞相哈剌哈孙发动大都政变。他们斩杀阿忽台，控制大都局势，拥护率军南下的海山称帝，即元武宗。皇后与阿难答被元武宗斩杀，其回回部下退入西域吐鲁番地区。铁穆尔在位13年（1294—1307年），先后改用元贞（1295—1297年）、大德（1297—1307年）两个年号。铁穆尔执政期间基本是属恪守成宪[28]。

西北地区方面，早在元世祖时期，由于他的大汗之位不受四大汗国的承认，使得当时窝阔台汗海都有意夺回蒙古汗位。海都统辖叶密立（今新疆额敏东南）一带且与钦察汗国友好。元世祖为了避免在南征南宋时被海都背刺，遂扶持八剌获得察合台汗位以牵制海都。然而在1268年，海都、八剌和钦察汗忙哥帖木儿以元世祖过度汉化、违背祖宗成法为由，在塔拉斯河招开库里尔台大会结盟反元。他们以海都为盟主，共同瓜分中亚行省，联合对抗元朝与伊儿汗国，史称海都之乱。元世祖派伯颜北上平乱，海都与新任察合台汗笃哇采用游击战的方式回避决战。1287年海都联军伙同镇守辽东的东道诸王乃颜与哈丹袭击和林（今蒙古国哈尔和林），元世祖亲率大军击败之，派伯颜、玉昔帖木儿与李庭平定东北乃颜，主持西北军事。1289年海都再犯和林，最后其势力被驱出阿尔泰山以西。而哈丹于辽东高丽一带游击，至1292年败亡。

元成宗即位后，任命其侄海山（后继位为元武宗）总领漠北诸军。1301年海都联军被海山和晋王甘麻剌击溃，史称铁坚古山之役。海都于战后去世，其子察八儿继位，窝阔台汗国被笃哇掌控。1303年由于笃哇被钦察汗脱脱蒙哥击溃，就与察八儿共同派使者向元廷请和，脱脱蒙哥也向元廷请和，而伊儿汗本来就支持元廷，至此四大汗国皆承认元朝的宗主地位，双方广设驿路，解除封禁。不久之后，窝阔台汗国被察合台汗笃哇与元朝元武宗先后攻灭而亡，察八儿投降元朝。到了其晚年，由于蒙古政权格局的痼疾，政治弊端逐渐暴露出来[29]。

武宗时期

大德十一年（1307）正月，成宗铁穆尔死于玉德殿，年仅42岁[30]。铁穆尔兄答剌麻八剌的次子爱育黎拔力八达与母亲答已于二月到达京师，并与中书省右丞相哈剌哈孙取得联系。为抢在三月三日卜鲁罕皇后称制前举事，他们于三月二日率兵入宫，发动政变。斩支持立世祖之孙阿难答为帝的左丞相阿忽台，擒阿难答，爱育黎拔力八达称监国。此时，其兄海山正挥军南下，爱育黎拔力八达与母答已北迎海山，会于上都，决议拥海山为帝，并诛杀阿难答，废卜鲁罕皇后。二十一日，海山在大安阁即位，是为武宗[31]。

元武宗因爱育黎拔力八达有功，册封他为皇太弟（即未来的元仁宗），相约武宗系与仁宗系交替称帝，即武仁之约。元武宗时期，加封孔子为“大成至圣文宣王”，并给予孔子的家族与弟子一些称号。为了解决元成宗时期的财政危机，元武宗设置常平仓以平抑物价，下令印制至大银钞，然而反而使银钞严重贬值。此外他将中书省宣敕与用人权划归给尚书省。1311年元武宗因沉耽淫乐、酗酒过度，年仅31岁死于玉德殿，爱育黎拔力八达顺理成章地以监国者总揽朝政[32]，由皇太弟爱育黎拔力八达继位，是为元仁宗，这次是元朝首次和平继承帝位。