Hốt Tất Liệt đã gửi cháu trai Gammala của mình đến Burkhan Khaldun vào năm 1291 để đảm bảo yêu sách của mình với Ikh Khorig, nơi Thành Cát Tư Hãn được chôn cất, một nơi linh thiêng được bảo vệ bởi chính quyền của ông. Bá Nhan đã kiểm soát Karakorum và đang thiết lập lại quyền kiểm soát các khu vực xung quanh vào năm 1293, do đó, đối thủ Kaidu của Hốt Tất Liệt đã không thử bất kỳ hành động quân sự quy mô lớn nào trong ba năm tới. Từ năm 1293 trở đi, quân đội của Hốt Tất Liệt đã giải phóng lực lượng của Kaidu khỏi Cao nguyên Trung Sibir.

Hốt Tất Liệt ban đầu có ý định đưa con trai thứ hai là Chân Kim (真金) làm người kế vị ông. Chân Kim đã trở thành người đứng đầu của trung thư tỉnh và tích cực điều hành công việc triều chính theo kiểu Nho giáo. Thật không may, Chân Kim chết năm 1285, 9 năm trước khi Hốt Tất Liệt qua đời. Ngoài ra, ái thê của ông Hoàng hậu Sát Tất cũng qua đời trước đó vài năm (năm 1281). Con yêu cùng vợ yêu qua đời trong một thời gian ngắn, cùng với những thất bại của các chiến dịch quân sự ở Đại Việt và Nhật Bản cũng luôn ám ảnh ông, hẳn đã khiến tinh thần Hốt Tất Liệt bị chấn động mạnh mẽ.

Mặt khác, Hốt Tất Liệt cũng bị bệnh gút nặng trong những năm cuối đời do thừa cân quá mức. Ông tăng cân nhanh vì thích ăn các món đặc sản nguồn gốc động vật và uống quá nhiều rượu. Điều này làm gia tăng nhanh lượng purin trong máu của ông, dẫn tới việc làm trầm trọng thêm các vấn đề với bệnh gút và cuối cùng dẫn tới cái chết. Việc ăn uống quá nhiều của ông có thể có liên quan tới cái chết của bà vợ yêu quý nhất của ông cũng như của người ông đã chọn làm người kế vị là Chân Kim, vì điều này có thể đã giúp ông ổn định lại tâm trạng và trở nên thoải mái hơn.

Hốt Tất Liệt chìm vào trầm cảm vì mất người thân, sức khỏe yếu và tuổi tác ngày một cao. Ông đã thử mọi phương pháp điều trị y tế có sẵn, từ các pháp sư Cao Ly đến các thần y Đại Việt, và các phương thuốc và thuốc men khác, nhưng không có kết quả. Vào cuối năm 1293, hoàng đế đã từ chối tham gia vào lễ đón năm mới truyền thống. Trước khi chết, Hốt Tất Liệt đã chọn con trai của Chân Kim là Thiết Mộc Nhĩ làm Thái tử và ông này đã trở thành vị hoàng đế thứ hai của nhà Nguyên, tức là Nguyên Thành Tông.

Hốt Tất Liệt muốn tìm kiếm một người bạn đồng hành cũ để an ủi ông ta trong căn bệnh cuối cùng, các triều thần chỉ có thể chọn Bá Nhan, người kém ông hơn 20 tuổi. Hốt Tất Liệt suy yếu dần, và vào ngày 18 tháng 2 năm 1294, ông qua đời ở tuổi 80. Hai ngày sau, đám tang đã đưa thi hài của ông đến nơi chôn cất của những khả hãn Mông Cổ