1271 brachen Niccolò und Maffeo Polo in Begleitung des siebzehnjährigen Marco zu ihrer Reise zum Großkhan auf. In Akkon erläuterten die drei Polos dem dortigen päpstlichen Legaten Tebaldo Visconti da Piacenza den Sinn und Zweck ihrer Reise und baten ihn zunächst darum, nach Jerusalem weiterreisen zu dürfen, da der Mongolenherrscher Niccolò und Maffeo Polo auf ihrer ersten Asienreise gebeten hatte, ihm Öl aus der Lampe des Heiligen Grabes mitzubringen. Mit der gewünschten Erlaubnis reisten die Polos nach Jerusalem, wo sie das erbetene Öl ohne Probleme besorgen konnten, und kamen anschließend nach Akkon zurück. Nunmehr übergab der Legat den Reisenden einen Brief an den Großkhan, in dem bezeugt wurde, daß die Brüder sich aufrichtig bemüht hätten, ihren Auftrag beim Papst zu erfüllen, dieser jedoch verstorben und ein neues Oberhaupt der christlichen Kirche noch immer nicht gewählt sei. Auf ihrer anschließenden Weiterreise waren sie schon an der Küste Kleinasiens in Laias angekommen, als sie erfuhren, daß der Legat Tebaldo Visconti da Piacenza nunmehr als Papst Gregor X. gewählt worden war, und es erreichte sie dort auch ein Schreiben des neu gewählten Papstes, in dem sie aufgefordert wurden, unverzüglich nach Akkon zurückzukehren. Gregor X., der sich zum Zeitpunkt seiner Wahl als Kreuzfahrer in Palästina aufhielt, beauftragte dort die Polos nunmehr offiziell als Kirchenoberhaupt, ihre Reise zum Großkhan fortzusetzen, um diesen zum Christentum zu bekehren und als Bündnispartner gegen den Islam zu gewinnen. Dafür wurden ihnen zwei italienische Mönche mitgegeben. Anschließend ging es über die Stadt Täbris weiter nach Saveh. Nach Marco Polo waren hier die heiligen drei Könige begraben. Von dort führte sie ihre Reise in die Oasenstadt Yazd. Die Reise führte die Polos danach nach Kerman. Nächste Reisestationen waren Rajen, eine Stadt der Schmiede und Herstellungsort kunstvoller Stahlerzeugnisse, und Qamadin, die Endstation einer Route, auf der Pfeffer und andere Gewürze aus Indien herbeigeschafft wurden. Über diese heute zerstörte Stadt schrieb Marco Polo, daß sie oft von den aus Zentralasien eindringenden Tataren verwüstet worden sei. Der anschließende Besuch der Stadt Hormus, des heutigen Minab mit seinem mittlerweile versandeten Hafen, hinterließ bei Marco Polo einen starken Eindruck, denn dort wurden Gewürze, Edelsteine, Perlen, Seidenstoffe und Elfenbein umgeschlagen. Von hier aus wollten die Handelsreisenden eigentlich über den Seeweg nach China aufbrechen, doch ließ sie der schlechte Zustand der Schiffe in Hormus von ihren Plänen Abstand nehmen. Durch die jetzt notwendigen erheblichen Umwege gelangte Marco Polo 1273 bis vor die Ruinen der Stadt Balch. Die Stadt soll durch die Truppen Dschingis Khans zerstört worden sein. Die weitere Reise führte über die Orte Ischkaschim, Qala Panja, 1274 über die am Westrand der Sandwüste Taklamakan gelegenen Stadt Kaschgar weiter entlang der Südroute der sich dort aufzweigenden Seidenstraße auch zur Oasenstadt Nanhu. Die Stadt Shazhou, heute Dunhuang, war ein bedeutender Knotenpunkt der damaligen Handelsstraßen. Marco Polo, der nun endgültig chinesisches Land erreicht hatte, sah seinem Bericht nach in dieser bedeutenden Oasenstadt erstmals eine große Zahl von Chinesen. Die Reisegruppe durchquerte anschließend die Städte Anxi, Yumen und Zhangye und kam 1275 in Shangdu als ihrem eigentlichen Reiseziel an. Dort traf Marco Polo Kublai Khan, den Großkhan der Mongolen und Enkel von Dschingis Khan, in seiner Sommerresidenz. Kublais Reich erstreckte sich damals von China bis in das Gebiet des heutigen Irak und im Norden bis nach Russland. Die drei Handelsreisenden ließen sich hier unter der Obhut des Herrschers bis 1291 nieder. Der Großkhan fand Gefallen an dem jungen Europäer und ernannte ihn zu seinem Präfekten. Als solcher durchstreifte Marco Polo China über mehrere Jahre nach allen Himmelsrichtungen. Dabei gelangte er über die Städte Daidu und Chang'an (heute: Xi'an) in die Stadt Dali. Über die Stadt Kunming reiste er weiter nach Yangzhou, dem damaligen Sitz der Regionalregierung. Anschließend berichtet Marco Polo von der Ankunft in seiner Lieblingsstadt Quinsai, dem heutigen Hangzhou. Als unruhige Zeiten auszubrechen drohten, wollten die Polos zurück nach Venedig reisen. Trotz ihrer Bittgesuche ließ der Großkhan sie nicht ziehen, da sie ihm inzwischen eine wertvolle Stütze geworden waren. Zu diesem Zeitpunkt erschienen drei persische Diplomaten mit ihrem Gefolge am Hofe Kubilai Khans und baten um eine Braut für den Khan Arghun des persischen Il-Khanats. Der Mongolenherrscher bestimmte die siebzehnjährige Prinzessin Kököchin zur Vermählung, die nach Persien geführt werden sollte. Da der Landweg zu gefährlich war, ergriffen die Kaufleute diese Gelegenheit und schlugen dem Großkhan vor, die Prinzessin zusammen mit den Diplomaten auf dem Seeweg sicher nach Persien zu geleiten. Widerstrebend nahm dieser schließlich das einzig aussichtsreiche Angebot an und erlaubte ihnen damit letztlich die Heimreise. 1295 erreichten die Reisenden schließlich die Republik Venedig.
