中统元年（1260），忽必烈即位开平后，“立中书省，以王文统为平章政事，张文谦为左丞”。中书省下吏、户、礼合为一部，称左三部；兵、刑、工合为一部，称右三部。这显然是参考金制和根据当时实际需要确定的。不久，燕京行中书省并入中书。此后定制，以皇太子行中书令，下设右、左丞相各一员，平章政事四员，右、左丞各一员，参知政事二员。蒙古人尚右，故以右丞相、右丞居上。自中书令至参知政事皆称“宰执”。六部则各设尚书三员，侍郎二员。
管军的机构枢密院是在平定李璮之乱后设置的。鉴于“诸侯尽专兵民之权的弊害，忽必烈采取断然措施，罢世侯，置牧守，军民分职”，中统三年（1262），诏：“诸路管民官理民事，管军官掌兵戎，各有所司，不相统摄。”四年（1263）五月，“初立枢密院，以皇子燕王为中书令，兼判枢密院事”，掌天下兵甲机密之务。除四怯薛由皇帝或其亲信节制外，“凡宫禁宿卫，边庭军翼，征讨戍守，简阅差遣，举功转官，节制调度，元不由之”。初置枢密使一员（由太子兼任），副使二员，佥书枢密院事一员。至元七年（1270），在副使之上置同知枢密院事一员，佥书之下置院判一员。二十八年（1291），又置知院一员，增院判一员。并以中书平章商量院事。四怯薛各出代表一员，参与院议。
至元五年（1268），立御史台，“掌纠察百官善恶、政治得失”。设御史大夫、中丞、侍御史、治书侍御史各二员。御史台直属机构有殿前司、察院，还有内八道肃政廉访司。“凡大朝会，百官班序”由殿前司掌握，“其失仪失列，则纠罚之”；“在京百官到任假告事故，出三日不报者，则纠举之；大臣人内奏事，则随以人，凡不可与闻之人，则则避之”。肃政廉访司初名提刑按察司，承自金朝的按察司，作为地方监察机构，元初被纳入御史台系统。其巡察地区分为跨地区甚至跨行省的诸道。分别隶属于中央御史台或行御史台。行台是中央御史台的派出机构，元代曾在陕西、云南、江浙等地设置。
元廷对宗室诸王赏赐无度，对外征伐频数，国家用度浩繁，而以理财助国为施政中心，至元七年至九年、二十四年至二十八年、至大二年至三年（1270~1272、1287~1291、1309~1310）三次设立尚书省综理财用，六部、行省皆隶尚书。在尚书省存在期间，中书形同虚设。
此外，也有大司农司、翰林国史院、集贤院、宣徽院等承自前代的机构。
在中书省、枢密院、御史台分管政务、军旅和监察之外，在元朝中央，还有与之平行的掌管蒙古、回回和藏地事务的机构。其中包括蒙古翰林院及其所属蒙古国子监，掌管回回历法的回回司天监，掌管也里可温（基督教和基督教徒）的崇福寺，掌管藏地事务的宣政院等。国初的札鲁忽赤，随着国家统治机构的完备，则转变为专掌皇族政刑的官员，而以大宗正府为其办事机构。与历代大宗正府不同的是“主要治理诸王、驸马投下的蒙古、色目人刑名词讼等事，时而兼治汉人刑名”。大汗后妃所居的斡耳朵官属，则相当于辽朝的宫官。怯薛又是与五卫亲军制并行的大汗禁卫军和直属部队。
地方行政机构是行中书省，简称行省。元人认为：“国制，中书总庶政，是为都省。幅员际天，机务日繁。相天下重地，立行省而分治焉。若稽古制，魏晋有行台，齐隋所管置外州称行台尚书省，唐以诸道事繁，准齐分置，今行省，其遗制也。”其实，元朝的行中书省乃是承自金末的行尚书省。金朝后期，为抵御蒙古的军事需要，在河北、山东、陕西等地遍置行省，作为尚书省的派出机构，以宰执主持抗蒙事宜，以加重事权。它是一种临时建置。成吉思汗南下时，对降蒙的金朝故官、将领，常以原官授之。同时，也采用了金朝行省的官称。此后，凡有征伐之役、分任军民之事，往往称行省或行台，初无定制，迭为废置。
中统元年（1260），世祖立十路宣抚司为地方最高行政机构。同时，也以中书省官行某处省事的官衔，派往地方行使中书省职权，设立了一些行省机构。大约在至元二十年左右，以宰执行某处省系衔嫌于外重，于是乃改为某处行中书省平章或右丞、左丞、参知政事，而不再以都省官系衔。行省遂从都省的派出机构逐渐演变为地方最高行政机构。因中央尚书省之设，行中书省又曾两度改为行尚书省。
至元二十七年（1290），元廷在全国范围调整行省建制，除中书省直辖的山东、山西、河北等地（腹里）外，在全国设立岭北、辽阳、河南、陕西、四川、甘肃、云南、江浙、江西、湖广等十个行省。行省“掌国庶务，统郡县，镇边鄙，与都省为表里”。行省设丞相一员，平章二员，右、左丞各一员，参知政事二员，于地方“钱粮、兵甲、屯种、漕运、军国重事，无不领之”。行省下分设路、府、州、县。
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