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蒙古高原地区的众多蒙古部落原为金朝的臣属民族。蒙古族各部落之间战乱不休。1204年（金泰和四年），蒙古族杰出的领袖铁木真通过残酷战争统一了蒙古高原各部落。1206年（金泰和六年），铁木真被各部落推举为“成吉思汗”，蒙古汗国成立，从此，蒙古草原结束了长期混战的局面。
蒙古汗国成立后，不断发动征服战争扩张其疆域。1218年灭亡西辽、1219年西征中亚花剌子模，一直进攻到伏尔加河流域。于1225年东归，1226年（宋理宗宝庆二年）成吉思汗亲率大军对西夏发动大规模军事行动，相继占领了沙州（今敦煌）、肃州（今酒泉）、甘州（今张掖）、灵州（今宁夏灵武西南）大片土地，《元史·太祖本纪》云“帝深沉有大略，用兵如神，故能灭国四十，遂平西夏”。并于次年（1227年）占领西夏政治中心中兴府（今银川），西夏灭亡。成吉思汗也在对西夏的远征中病逝于清水（今清水县）行宫。西夏的灭亡，解除了蒙古对金战争的后顾之忧，金也失去了掣肘蒙古的犄角。
其实蒙古对金的战争早在宋宁宗嘉定四年（1211年）春就开始了，西夏的灭亡，加快了金亡国的进程。1234年（金天兴三年，南宋端平元年）金哀宗出奔蔡州（今河南长南县），蒙宋联军攻城，于1234年正月城破，金哀宗自杀，金朝宣告灭亡。但在秦、巩一带的金朝势力仍然存在，因此，铁木真之子窝阔台于宋理宗端平二年（1235年）命皇太子西凉王阔端率兵出征秦、巩地区。据《元史·汪世显传》载：阔端率兵抵巩昌城下，汪世显率众降附，得到阔端的嘉奖。在汪世显的带动下，秦巩一带二十余州先后降附了蒙古。但会州（州治在今靖远西南）守城军民严词拒绝汪世显的劝降，端平三年（1236年），蒙古军队攻破会州城，全城军民尽皆献身。至此，安定区归入元朝管辖。
蒙古军队的对外战争具有征服性质，为了减少蒙古军队的伤亡，加快战争的进度，蒙古军队在战争期间对敌人采取了残酷的屠杀政策。战争的结果是蒙古部族对欧亚各国造成了空前的掠夺、破坏和杀戮。应该看到，这一系列的征服战争给包括中国在内的欧亚大陆众多古老文明带来了巨大的破坏，众多民族受到了残酷而不公正的民族压迫，难以计数的人口和财产在战火和随后的瘟疫、饥荒及自然灾害中损失，对战火涂炭地区而言也是少有的黑暗时期。
1259年，蒙古帝国大汗蒙哥在四川驾崩，享年52岁。忽必烈与七弟阿里不哥随即展开了长达四年的争夺汗位的战争。1264年阿里不哥兵败投降，忽必烈夺得蒙古汗国的最高统治权。
1271年（至元八年），蒙古大汗忽必烈颁布《建国号诏》法令，正式建国号为“大元”。建都大都（今北京）。忽必烈即元世祖。《元史卷五十八·地理志》记载：“若元，则起朔漠，并西域，平西夏，灭女真，臣高丽，定南诏，遂下江南，而天下为一”。1272年（元至元九年）至1276年（元至元十三年），元朝统治大举攻南宋，于1276年攻陷南宋首都临安（今浙江省杭州市），俘虏6岁的宋恭帝及谢太皇太后，南宋灭亡。
临安陷落后，南宋大臣文天祥与张世杰、陆秀夫等继续在东南沿海坚持抗元。1278年底，文天祥兵败被俘，押解到大都囚禁达三年之久，文天祥拒绝了元朝的诱降，从容就义。1279年（至元十六年），元将张弘范指挥元军在崖山消灭了南宋最后的抵抗势力，陆秀夫背着九岁的小皇帝赵昺投海而死。至此，中国历史上第一个统一全国的少数民族政权建立起来了，开始了对中国近百年的统治。
为了加强对全国的统治，元朝统治者在中央设立中书省，地方设行中书省，建立省级行政区。行省制的建立，对后来的政区设置产生了极其重要的影响。
甘肃行省取名于“甘州”、“肃州”两州名字的首字。
据《元史卷六十·志第十二·地理三》载：“定西州，本唐渭州西市，五代沦于先零（汉代羌族的一支。最初居于今甘肃、青海的湟水流域，后渐与西北各族融合），宋置定西城，金改定西县，复升为州，仍置安西县，倚郭，通西二寨，并置县来属。元至元三年（1266年）三县并入本州。”也就是说，至元三年，元政府撤销定西、通西、安西三县治，统称为定西州，直属巩昌府。
《续资治同鉴》卷二百一十记：元至正十二年（1352年）三月，“陇西地震百余日，城郭颓移，陵谷变迁，定西、会州、静宁、庄浪尤甚，会州公宇中墙崩，获驽五百余张，长者丈余，短者九尺，人莫能挽，改定西为安定州”。《元史》亦载：“诏改定西州为安定州”，取“安宁稳定”之意。
自唐天宝年间，经历“安史之乱”后，安定这块地方曾先后被吐蕃占领近二百五十年，后又被西夏党项、女真、蒙古等分别占据，境地战争迭兴，历尽沧桑，加之元时气候变迁，气温渐冷，自然灾害不断，经济发展明显落后，人民生活日趋贫困。元统治者在完成统一大业之后，重视生产管理，制定措施促进经济发展，境地的生产及生活状况明显改善。但到了元朝中后期，统治集团内部互相倾轧，政治腐败，军阀混战，天灾人祸不断，境地人民深受其害。全国范围的反元起义也接次爆发，元朝的统治已是岌岌可危。