元朝的疆域名义上应包括“大汗之国”和西北各“宗藩之国”——伊利汗国、察合台汗国、钦察汗国和窝阔台汗国的统治区。1285年(至元二十二年)元世祖下诏编修全国舆地图志，主持其事的秘书监臣奏称：“如今日头出来处、日头没处都是咱们的……宜将秘监所得‘回回图子’(指西域地图)与汉地、江南各省舆图都总做一个图子。”
据许有壬在《大元一统志序》记载：“我元四极之远，载籍之所未闻，振古之所未属者，莫不涣其群而混于一。”《元史·地理志·序》谓：元之幅员“北逾阴山，西极流沙，东尽辽左，南越海表……东，南所至不下汉、唐，而西北则过之，有难以里数限者矣”。并附载了西北各宗藩位下所属城邑、地区名称。现存元朝时期绘制的舆图，也都包括有西北各汗国之地，虽有些粗略，但说明了元朝还是把西北各汗国视为本朝的管理之下的。
成吉思汗的征服战争，把大蒙古国的统治地域西面扩展到多瑙河、小亚细亚和两河流域，东面到朝鲜半岛，南面到西藏地区和南中国海，北面包有西伯利亚。元世祖忽必烈以前，大蒙古国全境是统一在大汗的统治之下的。
成吉思汗分封其弟拙赤、合撒儿、合赤温、铁木格斡赤斤和别里古台于蒙古的东部地区，分封其子术赤、察合台、窝阔台于阿勒台山迤西，形成大蒙古国内的几个宗王封国。大汗直接统治怯绿连河至按台山地域;所征服的中原汉地和中亚、波斯地区，分别设置了统治机构，形成由大汗政府管辖的三大地方行政区，在汉文史料中分别称为“燕京等处行尚书省”(以燕京为治所，统治中原汉地)“别失八里、等处行尚书省”(以忽毡为治所，管辖畏兀儿地至河中地区)和“阿姆河等处行尚书省”(以途思为治所，管辖阿姆河以西之地)。
除以上三大地方行政区外，元宪宗时代还在斡罗思之地也委派了大汗政府的代表，增设第四个行政区。但是由武力建立起来的如此庞大的帝国，各地区之间距离遥远，各个民族、文化背景不同，很难维持长久的统一，元宪宗时期已出现分裂的趋势。
中统年间(1260年—1264年)连续四年的争夺皇位战争，是大蒙古国历史的转折点，元世祖忽必烈依靠中原汉地雄厚的经济和军事实力，战胜了据有蒙古本土的阿里不哥。元世祖忽必烈的胜利使他成为全蒙古共主，但实际统治范围却发生了重大变化。
首先是西北各汗国的独立化和半独立化;其次，在争位战争中，忽必烈为取得旭烈兀和察合台后王阿鲁忽的支持，以大汗名义将阿姆河以西直到密昔儿(埃及)界上的所有蒙古军队和大食百姓交给旭烈兀掌管，将阿勒台山以西直到阿姆河的百姓和部落交给给阿鲁忽掌管，自己掌管阿勒台山以东直到海滨的地区。这虽然是战争中的权宜之计，只是划分“掌管”和“防守”区域而不是划分领地归属，但从此以后，原由大汗政府管辖的波斯和中亚两大行政区，实际上分别成为伊利汗国和察合台汗国的统治区。
元世祖时期还基本上保持着对东部天山的畏兀儿地区和塔里木盆地诸绿洲的统治，但西北叛王海都、都哇多次侵扰并曾短期占领过这些地区;元成宗以后，大部分被察合台汗国占据，元朝仅保有哈迷立(哈密)之地，用以安置忠于朝廷的一支察合台后裔。
斡罗思之地距离蒙古国中心非常的遥远，早已处在拔都家族控制之下，大汗政府在那里的影响很小，元世祖忽必烈死后全部成为钦察汗国的属境。于是，元朝政府直接统治的地域就只限于中书省直辖诸路、各行省以及宣政院所辖吐蕃地区。