大都城的開工時間與蒙古圍攻襄陽幾乎同頻，也可見元朝國力之超強。
燕京城舊址此時已有千年歷史，也是遼南京和金中都所在地。蒙古滅金時金中都受到重創，原有宮闕盡成廢墟，重新修葺還不如新建來得省事，再加上所依託的水源水量有限，忽必烈和劉秉忠最終決定不在燕京舊城基礎上修葺補充，而是另覓新址，在燕京城東北建造新都。
這個新址雖跳脫了金中都，但與金帝離宮大寧宮在同一區域，忽必烈往來燕京時，曾多次駐蹕大寧宮宮苑，至少是熟悉的。可以說，「忽必烈考慮建造新都城時，最重要的決定，是不在舊城基礎上修葺補充，而是利用近郊金世宗所建之萬寧離宮為中心，重新興建城垣宮殿」。
大都城的精華部分在於太液池，包括現在的北海和中海（南海當時尚未開鑿），據說太液池中滿栽芙蓉，元朝皇帝專門造了龍船，在池中往來遊戲。太液池東岸為忽必烈居住的宮城（即明清紫禁城前身）；西岸為南北對峙的隆福宮和興聖宮，隆福宮先後為皇太子和太后之居所；中有瓊華島與瀛洲（今北海團城），瓊華島山頂的廣寒殿為大都城地勢最高處。
至元二年（1265年）十二月，忽必烈命工匠製作了名為「瀆山大玉海」的酒缸，放置在廣寒殿中。元亡後，瀆山大玉海流落到皇城內一所道觀中作醃菜罈子，直到乾隆年間才被重新發現，移置到北海團城承光殿前亭子內，至今尚存。
建成後，大都城的外郭城周長六十里（實地測量為28600米），約為金中都的1.5倍，南北略長，呈長方形；城門共十一座，北面兩座，其他三面各三座；據元朝官方的統計，大都城居民約為十萬戶，按一戶有四五口計算，大都總人口約為四五十萬人，「除定居的漢蒙、色目和其他北方民族，還有眾多從中亞、歐洲來作短暫停留的使節商賈」。
按照日本學者杉山正明的說法，劉秉忠營建大都的主要依據為《周禮·考工記》，可以說是「正統的、理想的漢式皇城」，甚至是中國歷史上唯一一座按照《周禮》建造的都城。
但在私家著述與民間傳說中，大都城更像是神秘主義的產物。最玄秘詭異的莫如「哪吒城」的傳說，據元末張昱《輦下曲》與明初長谷真逸的《農田餘話》，「劉秉忠所以開闢十一座城門，是要附會哪吒神的身軀；南面三門象徵三頭，東西六門代表六臂，北面兩門配合兩足」。《農田餘話》裡還有種更離奇怪誕的說法是，元世祖即位至元朝滅亡，恰好百一十年，因此燕都十一門也是亡國之讖。
這些傳說至少有一點根據是真的，《元史·劉秉忠傳》中說劉秉忠「三式六壬遁甲之屬，無不精通」，因此營建大都城時引入些陰陽術數倒也並不意外。
據《元史·劉秉忠傳》，首先提出建大元國號的也是劉秉忠，至元八年（1271年），「奏建國號曰大元，而以中都為大都」。
這也可見「大元」與「大都」的共生關係。從行漢法、用漢臣、採用漢式年號、建「大元」國號，到營建大都，顯示了忽必烈逐步將政治重心移向中原。
然而，這並不意味著元朝政權的深度漢化，更遑論全盤漢化，那些更深層次、更核心的蒙古意識形態，比如家族公產製、宗王分封、怯薛、忽裡勒臺大會等，並未受到漢化的嚴重衝擊。而作為漢化核心指標的科舉，忽必烈至死也未正式推行，以銓選、察舉、國子監乃至世襲作為科舉的替代，中下層官僚機構一度充斥著刻薄冷酷的胥吏。一直到忽必烈駕崩近二十年後，元仁宗才於皇慶二年（1313年）下詔恢復科舉。
忽必烈本人也未必精通漢文化。忽必烈的所謂漢化，在功利化的政治軍事層面，而不在更本質的文化與生活方式，更多是一種世界帝國與中原王朝二元制的制度演進。
不過，忽必烈倒是讓兒子真金自少年起就接受了系統的漢文化教育，他先後指定姚樞、竇默和王恂這三位金蓮川舊人作為真金的儒學老師，以《孝經》為啟蒙，「每侍左右，必發明三綱五常，為學之道，及歷代治忽興亡之所以然」。
甚至有一種說法是，忽必烈有可能會說漢語，但不會讀寫漢語。清人趙翼在《廿二史札記》中專門有「元諸帝多不習漢文」一節，找到數處忽必烈時代「是凡進呈文字必皆譯以國書（蒙古文）」的證據，得出了「世祖始用西僧八思巴造蒙古字。然於漢文，則未習也」之結論。
從這個角度而言，忽必烈個人層面的「漢化」，遠遜於康熙、乾隆這些漢文化精通者。他的所謂漢化，不是出於審美，而是出於政治功利。
忽必烈遵行的某些漢法，與其說是為了漢化，不如說是為了集權。漢法固然有「鬱郁乎文哉」的一面，但也有中央集權大一統的一面，而後者恰恰契合了忽必烈的權力需求。忽必烈可以通過選擇性地行漢法，突破蒙古制度中某些限制大汗權力的傳統。
一個例子是，襄陽城破的同月，也就是至元十年（南宋鹹淳九年，1273年）二月，忽必烈下詔立嫡長子真金為皇太子。儘管冊文標榜立儲是「仰惟太祖皇帝（成吉思汗）遺訓」，「上遵祖宗宏規」，但這顯然有違集體推舉新任大汗的忽裡勒臺大會制度，而那恰恰是由成吉思汗親自創設的。
立儲和嫡長子繼承製固然是遵行漢法，但也可以理解為忽必烈藉機與忽裡勒臺大會爭奪蒙古汗位繼承權，畢竟，他本人的即位就繞開了忽裡勒臺大會。當然，忽必烈此時不可能預料到，推舉制與立儲制的纏鬥才剛剛開始。
忽必烈政權的漢化很可能只是淺層次的，但因此導致的離心力如決江河，沛然莫之能御。這似乎是一個隱喻，忽必烈得到了「大元」，卻失去了「大蒙古國」，「自忽必烈立國中原，建立元朝起，蒙古帝國業已名存實亡」。元朝與海都征戰的三十多年間，忽必烈及其繼承者的宗主權，僅僅得到由其六弟旭烈兀建立的伊利汗國的承認。即使在1303年平定海都之亂後，蒙古世界的和平得以暫時恢復，但「聯合為一」不過是一假象，「元朝與各汗國間的互通使節僅代表國與國之間的宗藩關係。各地蒙古政權皆已地方化，無法共同擁戴一個遠在天邊，難以認同的大汗」。
不過，還有一種說法是，在忽必烈時代，蒙古帝國並未解體，甚至連分裂都稱不上，「蒙古帝國中的內訌頂多只是爭奪主導權而已」，畢竟，在蒙古帝國境內，唯一的大汗仍然是忽必烈。只是說，忽必烈治下的蒙古帝國，開始轉變為一種有多個政治權力核心的，鬆散、多元複合的聯邦國家，但包括歐亞大交流在內的整個帝國體系仍然維持了下來。
無論大蒙古國是否就此解體，忽必烈作為所謂蒙古人大汗的身份是否徒有虛名，他若想成為擁有無懈可擊之正統性的中原王朝皇帝，都還得過最後一關——滅宋，實現大一統。
《元史·劉秉忠傳》記載至元十一年（1274年）八月，在元軍南下的號角中，五十九歲的劉秉忠在上都「無疾端坐而卒」，忽必烈震驚之餘，對這位最早加入金蓮川幕府的重臣評價稱：
秉忠事朕三十餘年，小心慎密，不避艱險，言無隱情。其陰陽術數之精，佔事知來，若合符契，惟朕知之，他人莫得聞也。
劉秉忠一生營建兩都，首提建大元國號，「他如頒章服，舉朝儀，給俸祿，定官制，皆自秉忠發之，為一代成憲」，儼然元朝行漢法第一人。但忽必烈念茲在茲的還是「陰陽術數之精，佔事知來」，可見相比儒學，這或許才是忽必烈最有興趣的「漢法」。