忽必烈在和林见到海云禅师二人之后，他对海云禅师的兴趣远没有对刘秉忠的兴趣大。刘秉忠学识渊博，从容议论天下大事，对时局了如指掌，深受忽必烈的赏识。因此，忽必烈要刘秉忠留下来，辅佐他干大事。忽必烈说：“汝学识如此宏富，日与深山古刹为伴，岂非有误所学？造福天下苍生，乃通儒之大归也。”刘秉忠见忽必烈这个英气勃勃的蒙古王子如此礼贤下士，便同意留下来，身着僧服参与谋划各种方针大计。从此，刘秉忠就成了忽必烈的僧人幕僚。

在乃马真后、贵由汗和蒙哥汗三朝，刘秉忠多次对忽必烈说，要他效法中国五帝、三王，以西汉文帝、景帝、唐太宗为榜样，敬天道，由人事，取信于蒙、汉官民，并引用西汉陆贾的警句“以马上取天下，不可以马上治之”为座右铭，要忽必烈力修当今文治，帝中国，当行中国事。

贵由汗二年（1 2 4 7年），忽必烈受封于邢州。时值南北统一的前夕，邢州地处蒙汉交错杂处之要冲，是蒙古控制漠南汉地的枢纽。早在窝阔台汗时，曾将邢州一万五千户赐予两个蒙古贵族，由于辖治无方，征战百出，使得民不堪命，大量逃亡，到忽必烈受封时，邢州仅剩下五六百家。

针对这种状况，刘秉忠献计说：“邢州旧时有万余户，兵兴以来不满数百，百姓凋敝日甚一日，若择良吏治理，此地犹可完复。”忽必烈心领神会，就任刘秉忠推荐的儒生张耕、刘肃为邢州安抚正副使。二人同心协力，扫除积弊，禁止贪暴，招抚流亡，使小妮邢州户口很快就增加十倍。此举是蒙古施政方针上的一次重大转折，具有方向性的意义，为以后忽必烈统治中国提供了样板。而忽必烈也因此而更加重用汉儒，蒙、汉合作，尊儒学、修政教、重农桑成为忽必烈立国的重要政策。

公元1 2 5 1年，忽必烈胞兄蒙哥继承汗位，任命忽必烈为总理漠南庶事，就等于把大漠以南的广大地域交给忽必烈去治理。这对于忽必烈来说，是瞌睡来了给个枕头，于是立即南下，开府于金莲川（今内蒙古正蓝旗闪电河沿岸）。

漠南的广大地区治理得好与坏，直接关系到忽必烈事业的成败。作为忽必烈的参政重要幕僚，刘秉忠对如何治理漠南提出了一系列建设性意见，绘制了一幅政治蓝图。

一、选择开国功臣子孙，分别担任京府州郡监守，督责旧官遵行王法，按察官守，以定其升降。比附汉人古例，定百官爵禄，使之家足身贵，百官有犯于民，则设科定罪，禁其自行威福，随意生杀。

二、纠正差徭甚大，赋税繁重之弊，只取以往赋税之半或三分之二，根据现在之民确定差税。官民所欠债务，以一本一利为限，超出者悉数蠲免，就近输纳税粮，划一度量衡器，盐铁、商贾、货值诸事，悉依耶律楚材所定课税。

三、明定法令，去其繁苛，勿置私狱，严禁鞭背之刑，死刑须要反复奏明才能执行。

四、开设学校，尊奉孔子。兴礼乐，颁历法，修史书。

五、广开言路，选择谏臣，以匡正人主之失。

对于刘秉忠的这些建议，忽必烈深为赞许，并在漠南全面推行汉法，整饬吏治，兴利除害，招抚流民，实施屯垦，兴修水利，劝课农桑。这些措施实施了一段时间之后，收到了意想不到的效果，使忽必烈大得汉民之心，为他以后争夺汗位，统一全国打下了坚实的政治、经济基础。蒙哥二年（1 2 5 2年），忽必烈奉命远征云南大理国，刘秉忠随军谋划。

忽必烈的这次军事行动，是世界军事史上间接战略的杰作。穿越二千里雪山、草原、冰川和峡谷，最后出其不意地出现在大理，收到了突然打击之效。作为随军谋划的幕僚，刘秉忠劝告忽必烈，为了使军队进展神速，必须神武而戒杀。十一月，蒙古军逼近大理，忽必烈遣使入城劝降。当时的大理国主段智兴昏庸无能，政事皆由大臣高祥决断。高祥拒降，并杀死了蒙古使者，忽必烈挥军攻城。十二月，城破，忽必烈命令屠城，以示报复。刘秉忠连忙制止，说：“杀使拒命者，唯高祥一人，并非百姓之罪，请宽宥大理百姓。”忽必烈听从了刘秉忠的建议，下止杀之令，悬旗街头，使大理百姓赖以活命。因忽必烈神武而不杀，大理别的地方望风归降，大理全境得以迅速平定了。

以后，忽必烈围攻武昌时，刘秉忠亦随军谋划，每次都告诫忽必烈：“王者之师，有征无战，当对南北人民一视同仁，不可嗜杀。”忽必烈慨然应允：“愿与卿共守此言。”

于是分头命诸将切勿妄杀，严禁焚烧民众房舍，所俘人口一律释放，使汉军民对忽必烈的反映极好，为他以后消灭南宋，迅速统一全国打下了人心基础。年8月，蒙哥在武昌被宋军大炮击中身死的消息传到正在湖北黄陂的忽必烈军营后，忽必烈大惊。这时，刘秉忠劝忽必烈暂时把对武昌的进攻放一放，先迅速北返和林，解决汗位问题，如拖延日久，恐有人捷足先登。而忽必烈的妻子也派人来黄陂，说他胞弟阿里不哥正在蠢蠢欲动，想登汗位。于是，忽必烈决计北归，于1260年3月，在漠南汉将和部分亲王的支持下，抢先小妮登上汗位，改年号为中统元年，史称元世祖。