蒙古帝国实行诸子分封制度，其中今日蒙古本土及中国大部地区被称为大元帝国，或元朝。成吉思汗建立的蒙古帝国自1260年忽必烈即位以来已分裂，演变成为忽必烈的元朝（大元帝国）以及位于其西部的四大汗国，其中元朝包括今日蒙古本土及中国大部地区。1260年忽必烈登基之后，以元上都为都城。但是上都位置偏北，对控制中原不利，因此在1264年忽必烈在解决了与其弟阿里不哥的汗位之争后，决定把迁都至燕京地区。
燕京地区当时尚有金中都故城，然而此城历经金朝末年的战争，自1215年5月31日被成吉思汗的蒙古军队攻陷之后，其城内宫殿多被拆毁或失火焚毁，而且其城市供水来源——莲花河水系已经出现水量不足的情况，无法满足都城日常生活所需用水。
1215年蒙古攻占金中都后改名为燕京。1264年八月，忽必烈下诏改燕京（今北京市）为中都，定为陪都。1267年决定迁都位于中原的中都，1272年，将中都改名为大都（突厥语称汗八里，帝都之意），将上都作为陪都。
忽必烈迁都燕京后，乃居住于城外的金代离宫——大宁宫内。至元四年（1267年），开始了新宫殿和都城的兴建工作。中书省官员刘秉忠为营建都城的总负责人，阿拉伯人也黑迭儿负责设计新宫殿。郭守敬担任都水监，修治元大都至通州的运河，并以京郊西北各泉作为通惠河上游水源。
元大都共有十一门。各城门的命名都与《周易》卦象相关。
南垣正中为丽正门，取《周易》“日月丽乎天”之意；
东为文明门，取《周易》“文明以健”、“其德刚健而文明”之意；
西为顺承门，取《周易》“至哉坤元，万物滋生，乃顺承天”之意（坤为西南方位）。
东垣正中为崇仁门，取东方属春、属仁之义；
南为齐化门，合《说卦传》“齐乎巽，巽东南也”之义；
北为光熙门，取《周易》“艮（东北），止也……其道光明”之意。
西垣正中为和义门，取西方属秋、属义之理；
南为平则门，北为肃清门。
北垣东为安贞门，取《周易》“乾上坎下……安贞吉”之意；
西为健德门，取《周易》“乾者健也，刚阳之德吉”之意。
到至元二十二年（1285年）时，大都的大内宫殿、宫城城墙、太液池西岸的太子府（隆福宫）、中书省、枢密院、御史台等官署，以及都城城墙、金水河、钟鼓楼、大护国仁王寺、大圣寿万安寺等重要建筑陆续竣工。至元二十二年，发布了令旧城（金中都故城）居民迁入新都的诏书：“诏旧城居民之迁京城者，以资高及居职者为先，仍定制以地八亩为一份，其地过八亩或力不能作室者，皆不得冒据，听民作室”。
从至元二十二年到三十一年，有四十至五十万居民自金中都故城迁入大都。此时期还陆续完成了宫内各处便殿、社稷坛、通惠河河道、漕粮仓库等建筑工程。元大都的营建工作至此基本完毕。此后元朝各帝陆续又有添建，如孔庙、国子监、郊祭坛庙和佛寺等，但对元大都总体布局没有变动。
元大都平面呈东西短、南北长的矩形，城墙全长60里又240步，辟十一门，南、东、西三面各三门，北面二门，被附会为哪吒“三头六臂两足”。
营建大都时，先在全城的几何中心位置建“中心之阁”，然后以此为基准向四面拓勘城址。
中心之阁以南为皇城。皇城四周建红墙，又称“萧墙”，其正门称棂星门，左右有千步廊。萧墙的东墙外为漕运河道。皇城并非以大内宫城轴线为基准、东西对称，而是以太液池为中心，四周布置三座宫殿——大内、隆福宫和兴圣宫，这种布局反映了蒙古人“逐水而居”的特点。大内正门为崇天门，北面为厚载门，东为东华门，西为西华门。崇天门前有金水河，河上有周桥（相传今北京故宫内之断虹桥）。大内正殿为大明殿，是元帝理政和居住的场所，面阔十一间，后有廊庑连接后殿。大明殿之后为延春阁，为皇后居所。此外还有玉德殿、内藏库、鹰房、羊圈等建筑。
皇城外，南面和东南为官署区，北面积水潭一带为闹市，东面为太庙，西面为太社稷，加之城垣每面各开三门（北垣例外），均符合《周礼·考工记》中“九经九轨”、“前朝后市”、“左祖右社”的相关记载。
在中心之阁西面，为鼓楼、钟楼，是全城的报时机构。钟鼓楼之西为积水潭，是元代漕运终点，也是全城最繁华的商业区，有米市、面市、缎子市、皮帽市、金银珠宝市、铁器市、鹅鸭市等市廛，还有望湖亭、万春园等园亭。
元大都的道路为土路，在建城时在城市主干道两侧设置了排水明沟，用条石砌筑。明朝之后，许多明沟被加盖覆盖，变为暗沟。
