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继位，即元成宗。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。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[28]。
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[28]。元武宗时期，加封孔子为“大成至圣文宣王”[29]，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、酗酒过度而逝，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[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[28]。
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[28]。
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