元世祖忽必烈虽然出身于文化发展较晚的蒙古民族，但他一进入中原，接触到中原地区先进的文化和科技，就被那些迷幻般的成就所吸引，开始认识到弘扬文化和发展科技的重要性。因此，他即位以后，积极采取措施，大力发展科技和文化，取得了举世瞩目的成就，在中国科技文化史上占有极其重要的地位。
八思巴是土蕃（藏族）萨斯迦人，生于佛教世家，七岁时就能诵读数十万字的佛经，国人称他为“圣童”，因此取名为“八思巴”（“圣者”的意思）。
窝阔台汗时期，蒙古军进入西藏，八思巴的伯父萨斯迦·班弥怛·功嘉监藏代表西藏各僧俗首领向蒙古表示归顺，从这以后，他们进一步与蒙哥汗和忽必烈联系起来。1253年，忽必烈亲征大理，胜利凯旋，八思巴在六盘山谒见忽必烈，对答如流，深受忽必烈喜爱。后来，忽必烈让他管理天下佛教和西藏地区政务。
蒙古初兴之时，没有文字，据《蒙鞑备录》、《黑鞑事略》等书记载，那时，凡发命令，遣使往来，皆用口传或刻木记事，很不方便。成吉思汗攻灭乃蛮，掳获了乃蛮的掌印官塔塔统阿。塔塔统阿精通畏兀儿（维吾尔）文字，成吉思汗就让他创制蒙古文字。塔塔统阿受任之后，以畏兀儿字母书写蒙古语言，用来教育成吉思汗的子侄等，正式创立了畏兀儿字体的蒙古文字，后世称为回鹘式蒙古文。但这种文字简略，表情达意不能尽如人意，用起来不算太方便。后来，成吉思汗又用金国降臣帮助他用汉字书写对金对宋公文，在其他少数民族中仍然使用本民族文字，如契丹文、女真文、畏兀儿文以及波斯文等。这种情况，不利于突出蒙古人的特殊地位，不利于民族文化的发展，也不利于大蒙古国的统治。
忽必烈即位以后，充分意识到这一问题，他说：“我国家肇基朔方，俗尚简古，未遑制作，凡施用文字，因用汉楷及畏吾字，以达本朝之言。考诸辽、金，以及遐方诸国，例各有字，今文治寝兴，而字书有缺，于一代制度，实为未备”。因此，特任命八思巴重新创制蒙古文字，以便能够“译写一切文字，期于顺言达事”。
八思巴受任之后，遍阅藏文、畏兀儿文和汉文字书，仿照藏文字母创造了蒙古新字字母41个（后来又增加2个字母），行款仿照畏兀儿文字，以音节为单位自上向下拼写，行序从左到右。八思巴创制的蒙古新字是一种拼音文字，这些拼音字母按相关字母组合成新字的，叫韵关之法；以二合、三合、四合组成新字的，叫语韵之法。41个字母按不同的方式组合，可以组成新字1000多个。用这种蒙古新字拼写蒙古语，比原来的畏兀儿字准确得多。比如，畏兀儿体蒙古文，一个读s音的字母，又可以读作sh、ds、c、z、zh，一字六音，太容易混淆。而在八思巴创制的蒙古新字中，这六个音是用六个字母表示的，分得很清楚。用这种蒙古新字来拼写汉语，就当时的水平来说，也是比较精确的。
八思巴创制蒙古新字以后，上奏忽必烈，忽必烈见了新字，非常喜欢，当即定名为“蒙古新字”。至元六年（1269年），忽必烈下诏以新制蒙古字颁行天下，规定，“自今以往，凡有玺书颁降者，并用蒙古新字，仍备以其国字副之”。后来又下诏，禁止把这种蒙古字称作“新字”，只称“蒙古字”，目的是要确立这种蒙古新字唯一的合法地位。八思巴所创制的这种蒙古新字，后人习惯上称为“八思巴字”。
八思巴字是中国历史上第一个拼音方案，其字母表的设计，特别是它的整个文字系统的建立，都是中国文字史上的一个创举，在中国民族文字史上占有重要地位。
八思巴文字是由忽必烈亲自提出，并在他的直接关怀下创制成功的，是忽必烈以武力平天下转向以文治国的措施之一。八思巴字创制以后，他大力推广，至元六年（1269年）七月，在诸路设置蒙古字学，第二年设蒙古字学教授。至元八年（1271年）又立京师蒙古国子学，以八思巴字教习诸生，于随朝蒙古、汉人百官及怯薛官员的子弟中选拔学员，用八思巴文译写《通鉴节要》，作为教本等。忽必烈在推行八思巴字的同时，并不禁止蒙古等其他少数民族人员学习汉文，当时，许多蒙古人对汉文都很精通。
忽必烈任用八思巴创制蒙古新字，方便了蒙古族的政治、经济、文化交往和经验传播，促进了民族教育的发展，特别是为蒙古族经济、文化的发展做出了重要贡献。
元曲与唐诗、宋词齐名，共同成为我国文学史上的瑰宝，名扬古今中外。
一般认为，元曲的发展分为前后两个时期，前期格调清新，最为兴盛活跃，后期则远远不及。即是说，元曲的最高成就在元代前期。元曲前期的主要代表人物是关汉卿、王实甫、白朴、马致远四大家，其中，关汉卿死于1300年，比忽必烈晚死6年，毫无疑问，与忽必烈是同时代人；王实甫虽然生卒年不详，但从零星史料分析，可知他是由金入元之人，主要活动在忽必烈时期；白朴大约死在1306年，在忽必烈死后又活了12年，其元曲创作的辉煌时期亦当在忽必烈时期；唯有马致远死的晚一些，大约在1321年左右，比忽必烈晚死了27年，但他在忽必烈统治时期正值10—45岁风华正茂的时期，其主要成就恐怕也在这一时期。因此，我们可以毫不夸张地说，元曲发展的最高峰是在忽必烈统治时期。尤其是关汉卿，他基本上与忽必烈同时代，所取得的主要成就都在忽必烈时期，可以确信无疑。
关汉卿是大都人，终生从事杂剧创作，被誉为“梨园领袖”、“编修帅首”、“杂剧班头”。他才高风流，能吟诗写画，会弹琴吹箫，也能歌唱舞蹈，有时心血来潮，亲自登场演出，是一个能编、能导、能演的大戏剧家。
他一生写了60多种剧本，现存10多种，其中，《窦娥冤》是他最出色的代表作。
《窦娥冤》的思想性和艺术性都极高，受到各国人民的喜爱，早在1838年就被泽成法文传播到欧洲各地，后来又有日译本，原苏联还演出过全剧。关汉卿本人也被列为世界文化名人而载入世界史册。
王实甫、白朴、马致远的成就也很高，名扬海外。
忽必烈时期，元曲为什么会取得如此伟大的成就，固然是关汉卿等剧作家努力的结果，但与忽必烈的统治政策也不无关系。
由于忽必烈实行了一系列发展经济的措施，使元初的农业、手工业，特别是城镇经济有了一定程度的发展，这就为元曲的繁荣准备了充裕的物质条件。适应统治阶级欣赏宴乐和广大市民的文化要求，南北各大城市都出现了大批的伎艺人和集中演出的勾栏瓦肆，特别是大都和杭州，最为兴盛。同时，农村也经常开展戏曲活动，节日、庙会等成为农村的演出日，一些著名演员也经常到各地作场。元曲的这种繁荣只有在天下安定、经济发展的形势下才会出现。这种天下安定、经济发展的形势与忽必烈精心治国是分不开的。
忽必烈建立的元朝，疆域辽阔，民族众多。忽必烈虽然把人分成四等，但不反对民族间的交往、学习、通婚和融合。正是在民族不断交往的形势下，汉族、女真族、蒙古族等各民族的乐曲逐渐融汇，才出现了元曲这一新兴的文学艺术形式。据专家研究，元曲虽是在唐诗宋词的基础上发展而来，但吸收了许多契丹人、女真人、蒙古族的乐曲和文学精华，到了忽必烈建立元朝，正好为这种民族文化融汇提供了前所未有的社会条件，促使元曲迅速走向繁荣。
特别是忽必烈实行各种思想兼容并蓄的政策，允许各种思想自由发展，对元曲繁荣起到了极大的推动作用。当时，蒙元刚刚灭夏、灭金、灭宋，民族矛盾非常尖锐，亡国之人对蒙古统治者的敌对情绪十分强烈。忽必烈对这种敌对思想和情绪只是因势利导，决不随意挞伐，就是有人表示反对政府，或在戏曲等作品中鞭挞社会黑暗和统治阶级的腐朽，他也不兴文字狱迫害文人，随便文人随意嘻笑怒骂、嘲风弄月。忽必烈所实行的这种宽松政策，是当时元曲繁荣的主要原因。因此，我们可以毫不夸张地说，元曲的繁荣也有忽必烈的一份功劳。
忽必烈对各种思想兼容并蓄，实行各种文化自由发展政策，有力地促进了文化的发展，书法和绘画也随之繁荣起来。
忽必烈时期的书法绘画成就很多，其中，赵孟兆页的作品影响最大，他是在忽必烈的直接笼络下发展起来的。
赵孟兆页，字子昂，号松雪道人，是宋太祖赵匡胤嫡传十一世孙。史书说他天资聪颖，读书过目成诵，为文操笔立就，而且学习十分刻苦，有强烈的“学以致用”思想，愿意为国家兴旺发达贡献力量。但是，还未等到他施展才华，南宋就被元军灭亡了。赵孟兆页作为宋朝宗室后裔，只好闲居家中。
忽必烈即位以后，为了治理国家，大力搜集笼络人才，颇有求贤若渴的味道。至元二十三年（1286年），他又派遣行台侍御史程钜夫到江南搜访贤才和有声望的人物。程钜夫到达江南，听说赵孟兆页很有才气，便劝他北上帮助元世祖忽必烈。赵孟兆页经过一番思考以后，决心应召北上。
神采秀异的赵孟兆页随着忽必烈的求贤大臣程钜夫来到大都，忽必烈见他才气英迈，神采焕发，有如神仙中人，非常喜欢，特让他坐在右丞叶李之上，并想重用他。可有一些人说赵孟頫是“故宋宗室”，不让忽必烈留在身边。忽必烈不听，先后授予赵孟兆页兵部郎中、集贤直学士等职，并想让赵孟兆页与闻中书政事，特旨令其出入宫门无禁。赵孟兆页受到了忽必烈的特殊优遇。
赵孟兆页越受优待，越有人以为他是“故宋宗室”，说三道四。赵孟兆页见自己继续留在京师，不但对自己不利，也给元世祖忽必烈增添了许多麻烦，遂力请外出。忽必烈虽经百般挽留仍然留不住，只好出其为知济南路总管府事。
赵孟兆页看到自己壮志难酬，便把主要精力放到了书法和作诗写画方面。
在作诗方面，赵孟頫提倡学习李白和杜甫，作文主张师法韩愈和柳宗元，一扫宋末靡丽纤弱的诗文风气。他在《岳鄂王墓》诗中写道：
鄂王坟上草离离，秋日荒凉石兽危。
南渡君臣轻社稷，中原父老望旌旗。
英雄已死嗟何及，天下中分遂不支。
莫向西湖歌此曲，水光山色不胜悲。
这首诗在众多的歌吟岳飞的诗中，别具一番风采，长期为人们所传诵。
绘画方面，赵孟兆页的成就很大。他擅长山水、花木、竹石、人物、马牛、禽鸟等。他学习绘画特别注意博采众长之后自成一格。他学阎立本的人物画，学南唐董源的山水画，学宋人李公麟的马和人物画，学花光长老以墨晕作梅花，学赵孟坚用笔轻拂他石。每得到一张纸，总是画了又画，才肯丢掉。经过刻苦学习，他的绘画终于取得了重要成就。他画的马形神兼得，栩栩如生。有一天，他的挚友戴表元看他画马，当即题诗说：
赵子奇才似天马，顷刻飞龙生笔下。
画成抚卷复长歌，坐客喧喧不停写。
蹄势轻鞭秋跌荡，鬃毛出跣风萧洒。
似嫌文绣减天真，尽脱鞍鞯辔轻把。
赵孟兆页的绘画一扫南宋院体，开一代绘画新风，成为元代初期画坛领袖，对元代后期以至明清绘画都有很大影响。
赵孟兆页的书法，更是别具一格。他自幼苦练写字，临摹各家书帖，仅陈朝智永的《千字文》，就写了500多张纸。经过长期临摹，他能做到临摹谁就像谁。有一次，他与朋友谈论书法后，当即临写唐人颜真卿、柳公权、徐浩、李邕四家法帖，件件与真迹相差无几。又有一次，他用唐人褚遂良的笔法写了一卷《千字文》，他的朋友从市面上买到了那件作品，以为是唐人真品，拿给赵孟兆页看并请他写跋语，方知出自赵孟兆页之手。
赵孟兆页不但注重学习历代书法家的书法，而且注重融汇贯通。经过努力，终于形成了自己的风格。他的篆、隶、楷、行、草书“无不冠绝古今”，用笔圆转流美，骨力秀劲，世有“赵体”之称，对后世影响很大。
赵孟兆页认为书法和绘画方法相同，他曾作诗说：
石如飞白木如籀，写竹还应八法通。
若也有人能会此，须知书画本来同。
赵孟兆页经过多年实践，悟出了书法和绘画的真谛，把两种艺术紧密地结合在一起，推陈出新，取得了举世瞩目的成就，号称“双绝”，名扬天下。当时，四方万里，以至日本、印度人士，都以珍藏他的作品为贵。《元史·赵孟兆页传》记载说：“天竺有僧，数万里来求其书归，国中宝之。”
忽必烈时期的书画等文化成就，与忽必烈鼓励发展文化是分不开的。