公元1259年9月，蒙古大汗蒙哥在合州前线病逝。1260年3月，忽必烈在部分诸王的推戴下，即汗位于开平，建元中统。中统为蒙古帝国的第一个年号。
忽必烈即位不久，即在金国西部故土上设立秦蜀行省（也称陕蜀行省等），省会设于其即位前的封地京兆府（今西安市）。
秦蜀行省是我国历史上第一个省，秦蜀行省的设立开创了我国省制之端。省制自此成为我国最主要的二级行政区，并一直延续至今。
秦蜀行省初期的辖区非常大。北达鄂尔多斯高地，南至四川盆地，西抵洮水，东临黄河。包括了今天的陕西全境、四川大部、甘肃东部、宁夏南部、重庆部分地区、内蒙古部分地区等。
蒙古帝国后期到元朝初期（至元八年（1271年）12月18日，忽必烈取《易经》“大哉乾元”之义，将国号由“大蒙古国”改为“大元”，从大蒙古国皇帝变为大元皇帝，“大元”国号正式出现，忽必烈成为元朝首任皇帝，也是蒙古帝国最后一任大汗），新设的行省制度尚不完善，其省会和辖区也多有变化。
中统三年，秦蜀行省改称陜西四川行中书省，省会依旧在京兆府。
至元二年（1264年）闰五月，省会移治兴元府（今汉中）。
至元三年，省会移治利州（今广元）。
至元十七年，省会复还京兆。
至元十八年，分设四川行省，旋即改立四川宣慰司。
至元二十一年，仍合为陜西四川行省。
至元二十三年（1286年），在成都设四川行枢密院。至此，陕西，四川彻底分设行省。
这次的川陕分治对后世影响最大的一个方面是此前多数时期都归属四川的汉中地区划入了陕西，从此四川形成了以四川盆地为核心的地缘格局，而陕西则形成了以关中平原、陕北高原和汉中谷地为核心的地缘格局。
