在元代的甘肃行省以西、今天的新疆东部地区，有三个不属于行省而直接属于朝廷的单位，即别失八里（今新疆吉木萨尔县北破城子）、哈剌火州（今新疆吐鲁番）与哈密力（今新疆哈密）。

早在成吉思汗统治的晚年（1225年），他已将今天天山、阿尔泰山、额尔齐斯河以西的地区分封给了他的四个儿子。当时由于大家都服从成吉思汗，因此蒙古帝国还是统一的。但是到了蒙哥汗和元世祖忽必烈执政时，各部已经不相统属，互相争夺大汗的位置，蒙古帝国于是分裂成元帝国和窝阔台、察合台、伊尔及钦察四大汗国。

今天新疆天山以北的大部分地方已经成了窝阔台汗国的领地，但是在阿母（姆）河南岸的地区没有分封，一直由大汗统治。蒙哥汗曾在那里设置了阿母河行省，但由于离大汗统治区太远，因此到了蒙哥汗统治的末年，将它并入了伊利汗国。

1251年，蒙哥即汗位后，为加强对中亚的控制，设置了别失八里行尚书省，以讷怀、塔剌海、麻速忽等人充别失八里等处行尚书省事，治所就设在别失八里，统辖阿母河以东、按台山以西西辽、花剌子模故土（今阿姆河下游及阿富汗北部）。

在阿里不哥与忽必烈争位之战中，别失八里为阿里不哥占据。至元元年（1264年）阿里不哥投降后，忽必烈控制此地，并立火赤哈儿的斤为亦都护。元朝灭掉南宋后，为加强对海都等西北叛王的防务，遣宣慰使綦公直率大批汉军、新附军进驻屯田，以备军食，并设置冶场，用来制造农业器具。同时，元朝政府还增设驿站，以方便从别失八里至内地的交通。至元二十年（1283年），又设置别失八里宣慰司，专门负责北疆的军政机构。二十三年（1286年），驻守别失八里的元代军队被察合台曾孙笃哇击败。笃哇军撤退之后，元代政府再度控制了别失八里。元成宗元贞元年（1295年），在别失八里改设北庭都元帅府，与同时设立的曲先（今新疆库车）塔林都元帅府分治天山南北。14世纪初，别失八里又为笃哇占据，以后长期为察合台汗国所有，但其政治重要性已降低。

今天的新疆伊犁河流域，在成吉思汗时也未分封。元世祖忽必烈在至元十二年（1275年）设置了阿里麻里（一作阿力麻里、阿力马力）行省，以阿里麻里（今新疆霍城县水定镇西北）为治所。但该行省存在的时间更短，两年后就废了，以后并入了察合台汗国。

元代还设立了澎湖巡检司这一行政机构，对台湾和澎湖列岛进行管理。

早在三国时期，孙权就为了“普天一统”，在黄龙二年（230年）派大将军卫温、诸葛直率一万多名士兵远征到过台湾（当时称为夷州）。这一雄心勃勃的军事行动历时一年，尽管最终无功而返，但这是有文字记载的大陆上的汉族人最早一次大规模去台湾的行动。

隋代时台湾被称为“流求”。隋炀帝就曾先后三次派人到过“流求”。从唐代到北宋的五百多年时间里，大陆和台湾一直保持着经济、文化联系。

到了南宋，台湾和祖国大陆的关系日益密切，中国已在台湾附近的澎湖列岛上建造军营，派兵驻守，还把澎湖划归福建泉州的晋江县管辖。

元代称台湾为“留求”，或者“琉球”。元代初期积极经略海外，曾派兵南征安南、占城和爪哇，东征日本，对于近在咫尺的台湾，自然不会无意控制，在元代初期就曾先后两次派人去台湾宣抚、讨伐。第一次是在至元二十八年（1291年），元世祖派遣万户侯杨祥、吴志斗、阮鉴等一行，携带诏书，出使招谕留求。第二年的春夏之交，他们自澎湖出发，遇到一个“山长而低者”的地方，派人登岸察看，由于言语不晓，被杀死三人，于是只得无功而返。对于这一次的行动，当时他们内部的意见有分歧，杨祥以为到了留求，而阮鉴、吴志斗两人则不这样看。现在我们就事理来推断，杨祥等人既然是从澎湖出发的，然后到达了海上一个“山长而低者”的地方，而不懂那里人的语言，自然应是番人居住的地方，因此可能是台湾西海岸的某个地点，而不会是澎湖群岛的某个岛屿，因为当时澎湖群岛只有汉民，而无番人。第二次则是在元成宗大德元年（1297年），当时任福建行省平章政事的高兴上奏说，如今福建行省的治所由福州迁到了泉州，距离留求很近，随时可以侦察消息，斟酌招降或者讨伐，不必调动他处兵力，因此他愿意就近一试。等到高兴的建议获准后，他便派遣张浩、张进赴留求国，生擒一百三十余人而还。第二年年初，又将所俘留求人放回，要他们效顺，但是以后却没有了下文。

元代这两次招抚台湾虽然没有结果，但后来还是在澎湖设立了巡检司，负责管理台湾和澎湖的各项具体事情，并让福建泉州府的同安县（今厦门）管理澎湖巡检司。从此，台湾和澎湖正式成为中国版图的一部分。不过，元代澎湖巡检司设置于何时，目前学界还有不同看法，没有定论。元末顺帝年间，汪大渊两次搭乘海船，到南洋一带游历了好几年，到至正九年（1349年）时，他根据自己的亲身所见所闻，写成了《岛夷志略》一书。在这部书中，他说：“至元年间立巡检司。”但是元代有两个“至元”年号，一为元世祖的“至元”（1264～1294年），一为元顺帝的“至元”（1335～1340年）。《岛夷志略》所说的“至元”，究竟指的是哪一个便成了问题。在清代所修的台湾地方志，大都认为元代澎湖巡检司设于元朝末年。如果我们参照这些记载来看，《岛夷志略》所说的“至元”，应当是指元末顺帝时而言的。另外，从《岛夷志略》一书的记载中还可以知道，元代已有不少泉州人移居澎湖了。

明朝初年，朝廷仍设澎湖巡检司。但是随着倭寇在海上的日益猖獗，明朝政府认为澎湖孤悬海外，不便防守，于是在洪武二十年（1387年），下令撤销了已有一百多年历史的澎湖巡检司，并把居民迁到漳州、泉州一带居住，荒唐地以为这样就可以断绝倭寇的供应，使他们无法在澎湖立足。