圍攻襄陽期間，忽必烈還幹了一件震天撼地的大事。
至元八年（1271年）十一月十五日，忽必烈將「大蒙古國」國號改為「大元」。
忽必烈的《建國號詔》大致可以分為兩部分。第一部分把中國自三皇五帝以來的國號臧否品評了一番，總之各有所短。更有資訊量的是第二部分：
我太祖聖武皇帝，握乾符而起朔土，以神武而膺帝圖，四震天聲，大恢土宇，輿圖之廣，歷古所無。頃者，耆宿詣庭，奏章申請，謂既成於大業，宜早定於鴻名。在古制以當然，於朕心乎何有。可建國號曰大元，蓋取《易經》「乾元」之義……
這段話有兩個要點。其一，之所以要改國號，是因為本朝「輿圖之廣，歷古所無」，「大蒙古國」這個國號不再切合時宜，「既成於大業，宜早定於鴻名」；其二，國號「元」來自《易經》中的「乾元」。
元朝官方編纂的《經世大典·序錄》說得更為透徹：
元也者，大也，大不足以盡之，而謂之元者，大之至也。
因此，「大元」這個國號算是「大」的語義重複，要凸顯的就是一個「大」字。從這個角度而言，「元」之國號，與「至元」年號相互呼應。
就蒙古意識形態而言，這個「大」是領土大，大恢土宇，輿圖之廣；就儒家意識形態而言，這個「大」是大一統，唐德剛先生對此有簡明扼要的闡釋：
中國的朝代名稱，從秦、漢、魏、晉……到宋、遼、金，均是具體的地名。但是蒙人在入主之後……乃改用一個抽象的名稱「元」，以為朝代之名，以示其是一個真正的「四海之內，莫非王土；率土之濱，莫非王臣」的傳統儒家思想裡的宇宙大帝國，不自限於某一特定區域也。
自成吉思汗時代起，蒙古的蒙文國號一直為「yeke mongghol ulus」（音譯「也可蒙古兀魯思」），在建「大元」國號之前，蒙古的漢文國號除了直譯而來的「大蒙古國」，還有一個是稍欠正式感的「大朝」。「大朝」一名，早在蒙古伐金初期就開始採用，此後並行達五十年之久。相對而言，「大蒙古國」使用以對外為主，在外交文書中最為普遍；「大朝」使用以對內為主，以羈縻中原漢人為主要作用，在漢地士民中使用更為廣泛。
從文字的語義層面來看，「元朝」與「大朝」實為同義，只是前者更富文義，更適合作為正式的國號，「從‘大朝’到‘元朝’名號的嬗遞，反映出蒙古從游牧國家到中原王朝的轉變的完成」。但由於元朝始終具備世界帝國與中原王朝的二元性，「大元」一號採用後，漢文國號「大朝」與「大蒙古國」雖並遭廢棄，但蒙文國號「yeke mongghol ulus」卻繼續沿用，迄於元亡，都未改變，甚至明代蒙古人仍如此自稱。
當然，在非特定學術場合採用源於西方語境且更為通行的「蒙古帝國」，也無傷大雅。
隨著忽必烈建「大元」國號，這裡又有一個新的問題：元朝的起始時間為何？
聚訟紛紜，大致有五種說法：學術界主流認為是從1206年成吉思汗建立「大蒙古國」開始，證據之一是成吉思汗也被尊為「元太祖」；以「中原」地域中心主義出發，從1234年蒙古滅金統一北方算起；以忽必烈建政為標誌，從1260年仿效漢法建元「中統」算起；以國號為標誌，從忽必烈1271年改國號為「大元」算起；以鼎革為基準，從1276年元軍攻佔臨安，宋恭帝出降算起。
在這五種說法中，本書更偏向於1260年和1271年這兩說：前者建政，後者建國號，都著重於制度。以「1260年說」為例，建元中統前，「蒙古帝國都是以十二生肖紀年，並沒有年號。年號是中國皇帝用以紀年的名號，是中國皇帝的專利。用年號紀年，便標誌了忽必烈所建立的政權與大蒙古國的不同」。
除了創設國號「大元」，忽必烈制度建設的另一翼是營建「大都」，這些都是中原王朝敘事不可或缺的部分。可以說，「大都」與「大元」，都從屬於「大」的意識形態。
大蒙古國的都城原為喀拉和林，中統四年（1263年）五月，忽必烈將其即汗位後實際居住的開平府升為都城，定名上都；中統五年（1264年）八月，忽必烈又降詔改燕京為中都，元朝的兩都制由此正式確立，夏天在上都，冬天在中都；至元八年（1271年），燕京最終定名大都。
關於蒙古的兩都制，最精當的說法可能出自杉山正明：既能同時維持「草原的軍事力量」，又能掌握「中華的經濟力量」。
忽必烈最早與燕京（大都）結緣，要追溯到金蓮川幕府時代。木華黎之孫霸突魯就曾建言定都燕京。
可見，大都從一開始，就是一種天下一統的意識形態。
元上都和元大都的主要設計者，均為忽必烈的金蓮川幕府第一人劉秉忠。
忽必烈即位後，劉秉忠雖伴隨大汗左右，但仍著僧服，被稱為「聰書記」（法名「子聰」）。劉秉忠大概想效法唐肅宗時代的「白衣宰相」李泌，不願為官，而是以僧人身份追隨忽必烈。《元史·劉秉忠傳》記載，至元元年（1264年），金蓮川時代的同僚王鶚看不下去了，聲稱「聖明御極，萬物惟新，而秉忠猶仍其野服散號，深所未安，宜正其衣冠，崇以顯秩」，請求忽必烈給劉秉忠正式封官。
忽必烈深以為是，當天便下詔拜劉秉忠「光祿大夫，位太保，參領中書省事」。這也就罷了，忽必烈還將另一位「潛邸舊侶」竇默的女兒賜婚給劉秉忠，順勢讓他徹底還俗了。
至元四年（1267年）正月，劉秉忠開工營建大都城，到至元十三年（1276年）基本建成；大都的皇城和宮城還要早一年開工（1266年），於至元十一年（1274年）大體竣工。