于是，忽必烈与八思巴再次会谈，问他：“你的祖先有何功业？”八思巴说：“我的先辈曾被汉地、西夏、吐蕃等地的帝王奉为上师，故威望甚高。”忽必烈不了解吐蕃的历史，就问：“吐蕃何时有王？这与佛书所说不合，必是虚妄之言。”八思巴就将吐蕃之王曾与汉地交战，吐蕃获胜，后又与汉地联姻，迎来公主与本尊神像的经过叙述一番，说佛书虽然不载，但有文书记载，查阅便知。
八思巴说的正是唐朝松赞干布迎娶文成公主的故事，于是忽必烈翻看汉地史籍，发现这些在《唐书》里都有记载。此后八思巴又说了些典故，经验证都是真的，于是忽必烈对八思巴佩服有加，请求他传授喜金刚灌顶（藏传佛教重要仪轨之一）。但八思巴又提出一个条件：“受灌顶之后，上师坐上座，要以身体礼拜，听从上师之言语，不违上师之心愿。”忽必烈哪里肯接受？察必又出来圆场：“人少的时候，上师可以坐上座。但当王子、驸马、官员、臣民聚会时，汗王坐上座。”就这样，忽必烈以八思巴为上师，奠定了后来元朝以藏传佛教为国教、设立帝师制度的基础。
八思巴应召谒见忽必烈薛禅汗，当时忽必烈夫妇及其子女以世俗人拜见上师的礼节会面八思巴，他们共二十五人先后在八思巴前受密宗灌顶。忽必烈向八思巴奉献财宝作为灌顶的供养。
1255年，八思巴回藏从康区迎请那塘堪钦札巴僧格受比丘戒，完成佛教出家僧人生活中最庄严的仪式。不久，八思巴又返回上都。当时蒙古汗王对佛教、道教等不同派别的宗教，还能够比较公平地对待。所以，佛教与道教之间常发生辩论事件。为了解决此事，蒙哥汗王命忽必烈主持并判定两派优劣，
1258年在上都的宫殿隆重举行了佛道辩论会，两派各参加十七人，佛教方以少林寺为首组成，八思巴以观摩者身份出席，但在辩论中道教以《史记》为论据驳斥佛教正统，佛教方一时无以应对，此时八思巴引用道教的论据进行阐述列举出道教方的论据自相矛盾
八思巴一直追随忽必烈，两人共同经历了与忽必烈弟弟阿里不哥的夺位大战以及建立元朝的过程。1260年12月，在与阿里不哥的战争初步取得胜利后，忽必烈返回燕京（现北京），任命八思巴为国师，授以玉印，让八思巴统领释教，八思巴由此有了全国佛教领袖的地位。
成为蒙古大汗后，忽必烈考虑到青藏高原交通不便，对政府管理、军队后勤供应以及商旅往来都造成严重影响，决定建设通往西藏的驿站。在八思巴的支持下，忽必烈主要建了一条从青海通往萨迦地区的驿站。八思巴则对西藏佛教界颁了法旨，要求全力配合建设。此后，从青海到萨迦，一共建了27个大驿站，保障了往来畅通。