最为珍爱的储君、也是汉化最深的次子真金（1273年被立为太子、死后追谥为元裕宗）不幸早夭，老来丧子实乃人生重创，好在真金妻所生第三子铁木尔继承了爷爷忽必烈的一些特质，擅长武功、兼备宽厚，历史地成为黄金家族正统的一位重要传承者。
1286年（元世祖至元二十三年）的确是多事之秋：就在太子真金去世，忽必烈处于“白发人送黑发人”的巨大悲痛的时候，辽东的蒙古东道诸王开始酝酿事 端。我们知道，古时的辽东，系指现今的东北、内蒙古东部以及蒙古国东部和朝鲜半岛部分地区，在帝国初期，该地被分封给了他的几个弟弟游牧和统治。 由于忽必烈长年忙于应对阿里不哥、海都等人的汗位争夺战，还要南下征服南宋，因而对辽东顾及较少，结果到十三世纪下半叶时，辽东诸王已有“做大”之势，在 成吉思汗一个侄孙的号令下，拥兵自重、桀骜不驯，大有与中央分庭抗礼的态势。
忽必烈迅速从丧子之痛中挣脱出来，率军镇压辽东诸王的叛乱。铁木尔追随御驾亲征的爷爷忽必烈，一举击败了辽东叛乱。在五年后的1293年，忽必烈看到时机成熟，毅然授铁木尔太子宝，并命他领军到蒙古高原，应对虽已元气大伤但依然蠢蠢欲动的海都一伙。
1294年初元世祖忽必烈病故，重臣伯颜在忽里勒台大会上，依照忽必烈生前旨意拥立远在蒙古高原的铁木尔为帝，平章右丞张九思向铁木尔献上玉玺，群臣迅 速迎接颇有威望的忽必烈之孙铁木尔从蒙古本部南下回大都，通过传统的忽里勒台大会形式即位，是为成宗，改至元年号为元贞。
史称“守成之帝”的铁木尔自幼习武练兵、擅长谋略，长期颠沛流离的军旅生涯使他和爷爷忽必烈一样有着强烈的统一意志和能力。他学习厚积薄发之策，一边对来自中亚的威胁，一边稳定忽必烈去世后造成的局势，积极积累实力。
1297年（元成宗大德元年），经过三年准备，兵强马壮、的铁木尔终于转守为攻，他派军主动出击察合台汗王都哇并大胜而还；又领军在阿尔泰山一线打败精锐的系首领海都的主力，于次年二次击败海都于哈拉和林西南方向的戈壁沙漠。
曾经和忽必烈分庭抗礼几十年的中亚分裂分子自然不会轻易言败，在四年后，挥师直捣帝国的精神首都—哈拉和林，早有准备的铁木尔第三次打败了对手，都哇汗中箭仓惶西逃，其兵士损失殆尽，海都则在负伤后在西撤的军中死去。
1303年（元成宗大德七年），黄金家族在经过几十年的内部鏖战后，迎来了至少在形式上重新统一的曙光：没有了海都勇武与谋略支撑的都哇汗，面对铁木尔 强大的实力，不得不上表大都俯首称臣。这样，始于忽必烈、终于铁木尔的黄金家族内战正式宣告结束，蒙元帝国中央政府终于稍稍松了口气。
成宗主政以后，世祖时代的灭宋功臣之一、为铁木尔即位立下汗马功劳的中书平章政事伯颜留任，此公联合汉人梁暗都主持朝政，后者通晓蒙古语，有很强的行政 管理和治理经济的能力，于1297年被任命为中书平章政事。他们面对国家因为连年战争财政入不敷出、赤字高悬的严峻情况，在成宗和中书右丞相完泽、左丞相 哈剌哈孙的支持下，通过清理户籍增加税源、力谏成宗减少赏赐、削弱宗教势力控制百姓财富等手段，防止了财政状况的全面恶化，为稳定国政做出了积极贡献。
成宗在位其间，停止了世祖对日本、安南的军事攻势，从而使军费开支大大降低；按照祖父的遗训，最终成功战胜了以海都、都哇为首的中亚窝阔台系、察合台系 的叛乱，重新确立了元廷的宗主地位；限制蒙古人“跑马占地”的落后习俗，尊重汉儒和农耕，使封建社会有了稳定的发展局面。
像其父真金 一样，元成宗铁木尔同样英雄短命，不足43岁就病故了，这一年是1307年，《元史》中对成宗有这样的评价：“承天下混一之后，垂拱而治，可谓善于守成者 矣。”元成宗去世后，与他无比崇拜的爷爷一起，都被安葬在起辇谷。说到起辇谷这个名字，我们不得不嗦几句，它当是元太祖铁木真成吉思汗及历代蒙元皇帝去 世后的陵寝所在地，不过，至今这个地点的准确位置依然是个秘，因为黄金家族对他们的坟茔采取了罕见的保密手段和措施，所以后世对于起辇谷有巨大的争议，比 如有认为它位于今天中国内蒙古鄂尔多斯右翼中旗、黄河西北、阿尔泰山之阴，也有认为在今天蒙古国肯特省曾克尔满达勒地方，此外，还有非常多不同的说法。
成宗铁木尔的离世，不仅仅是一位中国帝王普通意义上的驾鹤西去，而是标志着蒙元帝国比较正常的统治秩序的终结——此后，帝国开始从巅峰状态走入了下坡 路。，本来应该和同样强盛的大一统朝代，如汉、唐、明、清一样拥有几百年国运的朝代，却仅仅“存活”了百年就寿终正寝了。