忽必烈執政時期，其部隊主要兵種有騎兵、步兵、炮手軍和水軍。蒙古軍和探馬赤軍主要是以騎兵為主。
蒙古民族是一個遊牧民族，自幼學習騎馬射箭，在馬鞍上長大，所以也被稱為“馬背民族”。
這種優越條件，促使蒙古軍成為當時景為精銳的騎兵隊伍。探馬赤軍主要由蒙古人構成，其他各族也主要是遊牧民族，因而容易組成騎兵隊伍，蒙古騎兵行軍作戰主要使用輕便的環刀、大斧和長短槍等武器，行軍作戰都比較靈巧方便。
通常每個騎兵有一匹或多匹從馬，以便長途行軍時輪換乘騎，且很少攜帶笨重輜重物品，因此，作戰的衝擊力和長途奔襲的快速機動能力都要大大超過其他軍隊。
漢軍和新附軍主要是步兵，繼承了金宋戰法，士兵配有刀、槍、箭、戟等武器，在地形險阻的陣地戰和城塞攻防戰中發揮重要作用。
炮手軍是蒙古在多年征戰中漸漸發展起來的一個兵種。
元太祖九年(1214),大將唵木海曾受命擔任隨路炮手達魯花赤，挑選五百餘人，組成第一支炮隊，主要靠繳獲金宋大炮使用。
忽必烈在戰爭中看到了炮石的威力，很想發展炮手軍。他即位以後，聽說回回人阿老瓦丁和亦思馬因等人能夠製造回回炮，立即召至京師大都，讓他們領導工匠成批造炮，並於午門前試放，獲得成功。
至元十年(1273),元軍久攻襄樊不下，忽必烈遂將亦思馬因等炮匠連同大炮一起送往襄樊前線使用。亦思馬因“置炮於城東南隅，重一百五十斤，機發，聲震天地，所擊無不摧陷，入地七尺”,終於攻克了襄樊。
亦思馬因送往襄樊前線的大炮，實際上是一種巨型拋石機，還不是火藥炮。
蒙古軍隊在滅金之時曾領略了金人鐵火炮“震天雷”的威力，忽必烈所以下決心要造成自己的火炮，不久也獲得了成功。