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元代统治者对医学的重视前所未有。早在统一中国，定都大都之前，蒙古国已经出现了一批侍奉在君主左右的太医，并已建立起医药机构。《中庵集》记载了太祖时期的太医田安抚、田阔阔父子的事迹：
燕山田侯仲珪……涕泗言曰：“仲珪不幸，未成童而孤。母常诲之曰：方国家肇造，汝祖安抚府君以医得幸太祖圣武皇帝，实掌太医。尝以节行安抚事，征西域，战殁。汝父倜傥有气节，太祖爱之，因赐名阔阔……虽在征伐，以拯溺为主，凡儒服若二教艺术者，率招辑之，所全活不知几何人矣。复，还领太医，而天下诸医隶焉。奏请郡国立惠民药局，以济病者。尽瘁两朝，德业盛矣。”
从这段记载可以看出，太祖时期已有类似太医院的机构管理太医，田安抚、田阔阔父子先后担任了这一机构的领导，即“实掌太医”。且这一机构的管辖范围远不止宫廷太医，其是“天下诸医隶焉”的全国医政管理机构，为平民提供医疗服务的惠民药局可能也是其下属机构。
关于蒙古国太医院的最早记载，见于许有壬《至正集》中的《大都三皇庙碑》：“昔在壬辰，太宗皇帝虑人有札瘥夭死也，罗天下医，置太医大使，佩金符。辛丑，立太医院，总其政。宪宗皇帝癸丑，冠以提点。”壬辰年是1232年，太宗窝阔台统治时期。太医大使应为掌管太医的最高长官，从“佩金符”来看，是地位颇高、很受统治者重用的官员。而太医院的建立是在9年后的辛丑年，即1241年。在设置太医大使官职后这么久才成立了管理太医的机构，应该是由于这段时间是蒙古国灭金伐宋的关键时期，战事频仍，统治者难以顾及医政的缘故。
元世祖忽必烈时期，太医院的建制发生了几次重大的变革，并奠定了大都太医院的基础。《大都三皇庙碑》记载：“世祖皇帝中统庚申，给银章，又别置太医院。丙子，合二为一。”这两次变动是太医院历史上的重大事件。庚申年即世祖中统元年（1260），是世祖登基的第一年，别置太医院的原因在史书中虽未明确记载，但将这一事件放到蒙古国历史的大背景中，我们可以大致做一推测。1259年，蒙古帝国大汗蒙哥病逝，此时忽必烈正奉命率兵攻打南宋，围攻鄂州（今湖北），得知蒙哥病逝及其弟阿里不哥密谋登基的消息后，忽必烈撤兵北返，并于1260年在开平（后称上都，今内蒙古多伦县境内）自立为蒙古国大汗。其弟阿里不哥同年在当时蒙古国首都哈拉和林被部分宗王和大臣拥立为大汗，他与忽必烈之间的汗位争夺战争持续了四年之久，直至1264年阿里不哥归降并去世。在1260年至1264年，蒙古国在开平和哈拉和林两地有两位自立的大汗，因此太医院有两所也是很自然的。忽必烈登基时应该是在开平重新设立了一所太医院，与当时首都哈拉和林的太医院相对，因此称“别置”。1267年，忽必烈迁都中都（后改名大都，今北京），开平的太医院必然也随之迁入。1276年即丙子年，南宋都城临安沦陷，元朝即将统一全国，两所太医院合二为一也是在这一大背景下顺应历史潮流的举措。因此，1267年可以算作元代北京太医院建立的时间。而1276年元朝基本统一全国后，太医院的建制自然会进行一些调整。
元代太医院之名承袭金代，但在制度上却发生了重大变革，对后代的宫廷医药机构乃至全国医政管理制度都产生了深远的影响。此时太医院变为独立的最高医事机构，院使秩正二品，可以说元代太医院及其医官的尊贵地位是中国古代历史上前所未有的，这使得元代医事制度在继承前代的同时又独具特色。这一时期的太医院总领天下医政，拥有较多的下属机构，包括广惠司、大都及上都回回药物院、御药院、御药局、行御药局、御香局、大都惠民局、上都惠民局、医学提举司、官医提举司等。此外，元代宫廷还专设管理东宫太子医事的机构——行典药局和典药局，行典药局掌供奉，典药局掌制剂，但此二药局非为太医院管辖，而属詹事院典医监。