Durante catorce años permanecieron entre los mongoles. De regreso, los Polo actuaron como embajadores del emperador y visitaron al Papa en su nombre, para transmitirle el deseo de Kubilai Kan de que éste enviara sabios y sacerdotes a visitar su Imperio.

En el año 1271 y con la bendición de Gregorio X, los Polo, incluido Marco, que a la sazón contaba diecisiete años, comenzaron su segundo viaje por tierras orientales. Atravesaron Israel, Armenia, llegaron a las regiones de la actual Georgia y luego al golfo Pérsico. Desde allí remontaron hacia el norte, cruzaron Persia y después se adentraron en las montañas de Asia Central, siguiendo el itinerario de la ruta de la seda.

La travesía del Pamir los condujo a los dominios del gran kan. Tras superar los desiertos que rodean Lob Nor llegaron a Kancheu, la primera ciudad realmente china, donde establecieron contacto con una civilización que practicaba una religión casi desconocida para Occidente, el budismo; permanecieron en el lugar un año, durante el cual se dedicaron al comercio.

Reemprendieron entonces el viaje, acompañados de una escolta enviada por el gran kan para conducirles al nordeste de Pekín, donde el emperador tenía su residencia de verano. Pronto el soberano tomó a Marco Polo bajo su protección personal, le demostró una confianza absoluta, y le comenzó a asignar todo tipo de misiones: así, por ejemplo, ingresó en el cuerpo diplomático de la corte y se convirtió en gobernador, por tres años, de la ciudad de Yangzhou. Su padre y su tío se dedicaron a los negocios, al tiempo que actuaban como consejeros militares de Kubilai Kan.

Se desconocen los detalles de este período de la vida de Marco Polo; sin embargo, mientras permaneció al servicio de Kublai kan, Marco Polo tuvo oportunidad de viajar por todo el territorio de la dinastía mongol, que por entonces se hallaba en pleno apogeo, y adquirir conocimientos sobre la cultura y las costumbres de China. Destacaban el esplendor de la capital, su organización administrativa y la de todo el país, el sistema de correos, la construcción de obras públicas, el trabajo artesanal de la seda y el uso de papel moneda.

Cuando la familia Polo manifestó el deseo de partir, Kubilai Kan no se opuso, aunque les confió todavía una última misión: escoltar hasta Persia, en un trayecto por vía marítima, a una princesa china que iba a casarse con un kan persa.

En el año 1295 los Polo llegaron a Italia, donde fueron recibidos con tantas muestras de interés como de incredulidad, por lo que se vieron obligados a exponer sus riquezas para que la gente creyera sus historias. Más adelante, en el transcurso de una batalla naval entre las flotas de Génova y Venecia, Marco Polo, capitán de una galera veneciana, fue capturado por los genoveses.

Durante los tres años que permaneció prisionero Marco Polo dictó el relato de su viaje a un compañero, escritor de profesión. El material se recopiló bajo el título de El descubrimiento del mundo, también conocido como El millón o Libro de las maravillas del mundo. Estas narraciones constituyen el primer testimonio fidedigno del modo de vida de la civilización china, de sus mitos y sus riquezas, así como de las costumbres de sus países vecinos, Siam (Tailandia), Japón, Java, Cochinchina (que corresponde a una parte de Vietnam), Ceilán (hoy Sri Lanka), Tíbet, India y Birmania.