1264年，忽必烈迁都大都（现北京），改年号为至元，设置了管理全国佛教的专门机构——总制院（后改名为宣政院），又命八思巴以国师的身份兼管总制院事。封八思巴的弟弟恰那多吉为白兰王，命兄弟俩返回萨迦地区去完成建立西藏行政体制的任务。
1265年，八思巴返回西藏，对萨迦寺进行了修缮，如新造佛像、灵塔，以及用金汁书写大量大藏经中的甘珠尔部。同时分别拜克什米尔班智达希达塔噶大巴札、罗沃译师喜饶仁钦、纳塘堪钦青南喀札第二十多位大师为师，研习修教因明学、显宗理论和密宗修持等佛教教理仪轨，以及藏族传统文化五明学等知识。八思巴此次回藏居留三年，其间还奉忽必烈之命创制“蒙古新字”。蒙古新字是八思巴依照藏文30个字母创制的由41个字母构成的一种新文字，其语音拼读均按蒙语，后来蒙古新字又称八思巴蒙文。八思巴向忽必烈呈献蒙古新字后，忽必烈极为高兴，并於1268年下诏，凡是诏书及各地方公文等均必须使用蒙古新字，试图在全国范围内推行这种新文字。
1270年，八思巴第二次向忽必烈授予密宗灌顶。由于八思巴为元朝中央创制新文字，为元朝皇帝授予神圣灌顶，深得元朝皇帝器重。忽必烈晋升八思巴为帝师，并更赐玉印。封号全称为“普天之下，大地之上，西天佛子，化身佛陀，创制文字，护持国政，精通五明班智达八思巴帝师”，又称帝师大宝法王，简称帝师。
1276年，在太子真金的护送下，八思巴回到萨迦，自任萨迦法王，任命本钦释迦尚波统领西藏13万户，为萨迦派在西藏实行政教合一的开端。在文化交流方面，他把西藏的艺术带到了内地，又把内地的印刷术、戏剧艺术传到了西藏，在途中专为真金著述并讲授了《彰所知论》，此经有汉译本，收录在大藏经中。
1277年，八思巴在后藏的曲弥仁摩地方（纳塘寺附近），举行聚集七万僧众盛会，史称“曲弥法会”。
藏历第五绕迥之金龙年（1280年），八思巴在萨迦寺拉康拉章英年早逝，享年46岁。八思巴在萨迦寺圆寂后，忽必烈又赐封号为“皇天之下一人之上开教宣文辅治大圣至德普觉真智佑国如意大宝法王西天佛子大元帝师”。据说八思巴年幼时，曾梦见自己手拿一根有80节的藤杖，但到第四十六节处就弯曲了，第二天向萨迦班智达说起时，萨迦班智达对他说：“这预示着你的岁数，所以到46岁时要格外留心。”想不到一语成谶。
1320年，元仁宗下诏，在全国各路建造八思巴帝师殿，以此永远纪念这位功臣。藏历木鼠年（1324年，元泰定帝元年）八月，“绘帝师八思巴像十一，颁行各行省，俾塑祀之。”追谥为“皇天之下，一人之上，开教宣文辅治、大圣至德、普觉真智、佑国如意、大宝法王、西天佛子，大元帝师板的达巴思八八合失，公元1280年被人毒害，享年45岁。”