Khi Hốt Tất Liệt Hãn (cháu nội của Thành Cát Tư Hãn) thăm Yên Kinh vào năm 1261, phần lớn thành Trung Đô cũ, bao gồm hoàng cung, là đống đổ nát.[75] Hốt Tất Liệt ở tại Thái Ninh cung tại Quỳnh Hoa đảo trên Cao Lương Hà ở đông bắc Trung Đô.[76] Cung này do triều Kim xây dựng vào năm 1179 để làm nơi nghỉ ngơi thôn dã, khá giống với Di Hòa Viên thời Thanh sau này. Dù các thủ lĩnh Mông Cổ khác muốn duy trì căn cứ của liên minh bộ lạc truyền thống tại Cáp Lạp Hòa Lâm (Karakorum) ở Ngoại Mông, Hốt Tất Liệt lại mong muốn trở thành hoàng đế của một đế chế toàn cầu. Hốt Tất Liệt dành bốn năm để chống lại các tù trưởng Mông Cổ kình địch và đến năm 1264 thì ra lệnh cho Lưu Bỉnh Trung xây dựng đô thành mới tại Yên Kinh. Trước đó, vào năm 1260, Hốt Tất Liệt cho xây dựng kinh đô tại Thượng Đô, cách Yên Kinh 275 km (171 mi) về phía bắc, song ông vẫn ưa thích vị trí của Yên Kinh hơn.

Có bình nguyên Hoa Bắc rộng lớn ở phía nam và các thảo nguyên nằm ngay sau các dãy núi chạy qua phía bắc, Yên Kinh trở thành một điểm lý tưởng để Hốt Tất Liệt thiết lập căn cứ quyền lực. Năm 1271, Hốt Tất Liệt tuyên bố thành lập nhà Nguyên và đặt tên cho kinh thành là Đại Đô,[77] hay Daidu trong tiếng Mông Cổ[78]). Kinh thành cũng có tên Mông Cổ là Khanbaliq (汗八里, Hãn Bát Lý), viết là Cambuluc trong các ghi chép của Marco Polo. Công việc xây dựng Đại Đô bắt đầu vào năm 1267 và cung điện đầu tiên hoàn thành vào năm sau. Toàn thể tổ hợp cung điện được hoàn thành vào năm 1274 và toàn thành được hoàn thành vào năm 1285.[79] Năm 1279, khi quân Nguyên tiêu diệt Nam Tống, Bắc Kinh lần đầu tiên trở thành thủ đô của toàn thể Trung Hoa. Sau khi xây dựng Đại Đô, Thượng Đô trở thành bồi đô của Nguyên Thế Tổ Hốt Tất Liệt.

Thay vì dựa trên nền tảng Trung Đô triều Kim, Đại Đô của triều Nguyên được xây dựng ở phía đông bắc và xây quanh Thái Ninh cung cũ trên đảo Quỳnh Hoa. Đại Đô có kích thước lớn gần gấp hai lần Trung Đô. So sánh với thành phố hiện nay, thành Đại Đô trải dài từ đường Trường An ở phía nam đến tường thành Đại Đô bằng đất vẫn còn tồn tại ở phía bắc và đông bắc Bắc Kinh, giữa bắc đường vành đai 3 và đường vành đai 4.[80] Thành có tường bằng đất dày 24 m với 11 cổng thành, hai cổng ở phía bắc và mỗi mặt còn lại có ba cổng. Do đó, Đại Đô có chiều rộng tương tự như thành Bắc Kinh thời Minh và Thanh. Trung tâm địa lý của Đại Đô được đánh dấu bằng một đình, nay là Cổ Lâu.

Đặc điểm tự nhiên nổi bật nhất của Đại Đô là chuỗi hồ nằm ở trung tâm của thành. Các hồ này được tạo nên từ Cao Lương Hà chảy qua thành. Ngày nay, các hồ này được gọi là "Lục Hải" và nằm ở trung tâm Bắc Kinh: Hậu Hải, Tiền Hải và Tây Hải được gọi chung là Thập Sát Hải, Công viên Bắc Hải và tổ hợp Trung Nam Hải. Đảo Quỳnh Hoa nay nằm trong công viên Bắc Hải và có một Bạch tháp. Giống với các lãnh tụ Trung Quốc ngày nay, hoàng tộc triều Nguyên sống ở phía tây các hồ tại Hưng Thánh cung và Long Phúc cung.[81] Một cung thứ ba nằm ở phía đông các hồ, được gọi là Đại Nội, nơi đặt các cơ quan của đế chế. Việc xây dựng thành cần những người đến từ khắp phần châu Á của đế quốc Mông Cổ, bao gồm người Hán cũng như từ khác nơi khác như Nepal và Trung Á.[82] Lưu Bỉnh Trung được bổ nhiệm làm người giám sát việc xây dựng hoàng cung và kiến trúc sư trưởng là Dã Hắc Điệt Nhi Đinh (也黑迭兒丁). Các gian nhà trong cung điện được xây theo các phong cách kiến trúc khác nhau trên khắp đế quốc. Toàn bộ tổ hợp cung điện bao trùm phần nam-trung của Đại Đô. Theo truyền thống Trung Hoa, các đền thờ tổ tiên và việc thu hoạch được xây dựng tương ứng ở phía tây và phía đông của cung điện.[83]

Với việc có Cao Lương Hà chảy qua, nguồn cung cấp nước của Đại Đô dồi dào hơn so với Kế thành, U châu và Nam Kinh trước đó. Nhằm tăng nguồn cung cấp nước hơn nữa, nhà thủy học thời Nguyên là Quách Thủ Kính phụng mệnh xây dựng nhiều kênh đào để dẫn nước suối từ Ngọc Tuyền Sơn ở tây bắc qua nơi mà ngày nay là hồ Côn Minh tại Di Hòa Viên cũng như công viên Tử Trúc Viện để đến Tích Thủy Đàm- một hồ chứa nước lớn trong Đại Đô.[84] Việc mở rộng và kéo dài Đại Vận Hà từ Đại Đô đến Hàng Châu cho phép thành có thể nhập một lượng ngũ cốc lớn hơn để nuôi sống dân cư ngày càng tăng lên. Năm 1270, Đại Đô có 418.000 cư dân nội thành cùng với 635.000 cư dân sống ở khu vực xung quanh.[63][Note 3] Năm 1327, Đại Đô có 952.000 cư dân nội thành và 2,08 triệu cư dân sống ở khu vực xung quanh.[63]

Khu vực dân cư của thành Đại Đô được bố trí theo hình bàn cờ, chúng được phân chia với các đại lộ rộng 25 m và các ngõ hẹp, gọi là hồ đồng, rộng 6–7 m.[85] Ngày nay nhai đạo Đông Tứ là ví dụ minh họa tốt nhất cho cách bố trí này, khu có 14 hồ đồng song song, được gọi là 14 điều (条). Mỗi đại lộ đều có các cống ngầm để chứa nước mưa rồi chảy về phía nam thành.[86] Các khu chợ chính của Đại Đô nằm ở Đông Tứ, Tây Tứ và bờ bắc của Tích Thủy Đàm.[84]

Theo ý định của Nguyên Thế Tổ, thành Đại Đô thể hiện tính toàn cầu của đế chế Mông Cổ. Một số lữ khách ngoại quốc như Giovanni di Monte Corvino, Odoric of Pordenone, Marco Polo và Ibn Battuta để lại các tường thuật về chuyến viếng thăm thành của họ. Trong các cư dân của Đại Đô có Mã Trí Viễn, Quan Hán Khanh, Vương Thực Phủ, họ nằm trong số những nhà văn nổi tiếng nhất thời Nguyên. Người Mông Cổ cũng cho xây dựng một đài thiên văn Hồi giáo và học viện Hồi giáo tại Đại Đô. Diệu Ứng tự gần Phụ Thành Môn do Hốt Tất Liệt cho xây dựng vào năm 1271. Ngôi chùa có một bạch tháp nổi tiếng do một kiến trúc sư người Nepal là Araniko thiết kế, nó hiện vẫn là một trong các phù đồ lớn nhất Trung Quốc.[87] Khổng Miếu và Quốc Tử Giám được hình thành trong thời gian trị vì của Nguyên Thành Tông, người kế vị Nguyên Thế Tổ.