至元元年（1264）的深秋，燕京故地在斜阳下呈现出一片破败景象。刘秉忠手持青铜罗盘，踏过金代宫阙的残砖碎瓦，忽见东北郊外升起一团紫气。他循迹而行，直至太液池畔，但见：
玉泉垂虹映碧空
琼岛春阴锁翠微
西山晴雪明如画
太液秋风送晚晖
随行的蒙古工部尚书孛罗见他在此驻足，不解道：此地多沼泽，何不选西南高地？刘秉忠取铜钱掷入池中，涟漪竟自然荡成太极图形：昔箕子演《洪范》，首重五行。北依山险，南控平原，东通漕运，西接太行，此乃王气所钟！
在设计宫城时，年轻匠作张弘略建议填湖拓地。刘秉忠却引众人登高，指点山川形胜：《考工记》云左祖右社，面朝后市，然需因地制宜。他展开绢本设计图，只见宫阙布局暗合北斗，水系蜿蜒如银河落地，水能聚气，亦可通漕。昔汉唐宫室多毁于火，今引活水环护，可保万年。
至元四年（1267）惊蛰，大都开工典礼上出现奇观。当刘秉忠将定方位的神桩钉入土地时，忽然云开见日，光柱正照在桩顶的太极石刻上。蒙古萨满惊呼：长生天显灵！他却从容对忽必烈解释：天象应时，正如陛下顺天应人。
最精彩的规划当属中轴线确立。子夜时分，刘秉忠登临金代瑶光台，见北极星正悬于太液池北岸。他令弟子郭守敬架起新制简仪，以灯烛为引，在南北十五里间定下基准。突然流星划过，光迹竟与灯烛连线完全重合。老居士当即吟道：中天如矢贯日月，正道似弦系乾坤。这条后来成为北京城脊梁的轴线，至今仍指引着这座古都的格局。
宫城建造中，他巧妙化解了蒙汉文化冲突。当蒙古贵族要求在殿顶铺设传统毛毡时，他设计出琉璃瓦与金顶结合的蒙汉式殿宇；为保留游牧民族帐居习惯，在太液池畔特设毡帐区；更将蒙古尚白习俗融入建筑，主要宫殿皆用汉白玉为基。某日忽必烈巡视工地，见新落成的大明殿既具中原雄浑，又带草原气象，不禁叹服：先生真能调鼎鼐！
与此同时，官制革新在临时衙署中激烈讨论。保守派主张全盘沿袭蒙古旧制，刘秉忠却在御前展开三卷图轴：首卷《周官》六卿制，次卷《唐六典》，末卷改良的蒙汉合流制。他取七弦琴演示：中书省如宫音定调，枢密院似商音肃杀，御史台若角音清正...六部五寺谐奏，方成盛世韶乐。
至元五年的一场朝会，他将新拟《官制大全》呈献。其中规定：中书省统政务，设蒙古右丞相、汉人左丞相；枢密院掌兵权，保留探马赤军制；御史台独立监察，蒙汉御史皆可风闻奏事。当读到路府州县皆设达鲁花赤与汉官同治时，宗王塔察儿拍案而起：此乃分权！刘秉忠不慌不忙取出邢州旧档：蒙汉共治三年，户口增五倍，赋税翻三番——此非臆断，实乃经验。
最令人称道的是科举制度的重建。在许衡、王恂等协助下，他制定蒙汉分榜之策：蒙古色目考骑射经义，汉人南士试诗赋策论。首次廷试时，忽必烈见蒙古进士用汉文答《孟子》题，汉人进士以蒙语论《札撒》，欣然题写文明同风匾额。
至元八年大都初成时，出现了历史性的一幕：大明殿朝会上，蒙古那颜依新仪行汉礼，汉族官吏按蒙古俗献哈达。当钟鼓齐鸣中，百官依新制序列入班，忽必烈对刘秉忠笑道：昔萧何治未央宫，不过筑城安民。今卿建大都、定官制，开万世法程，功在千秋！
这座凝聚智慧的新都很快显现成效。至元十二年元宵，大都夜市灯火如昼。色目商队在文明门交易琉璃，高丽使臣在丽正门学习礼仪，江南士子在崇仁门书肆购经。忽必烈夜登钟鼓楼，见万家灯火如星河落地，对随行的太子真金说：记住，此城不止砖石所筑，更是人心所向。
而此刻的刘秉忠，正在南堂寺整理《官制源流考》。烛光映着他斑白的两鬓，案头摆着大都城图与官制图——一座实体之城，一座制度之城，共同撑起了空前辽阔的元帝国。窗外飘落的雪花，正静静覆盖着这座注定要影响世界六百年的伟大都城。
国号既定，忽必烈欲酬子聪之功。一日朝会，忽必烈道：子聪师父侍朕三十余年，功勋卓着。今宜还俗，授以显爵。
子聪推辞：臣本野人，幸遇明主，得效微劳。今既为僧，不愿还俗。
忽必烈不允：朕闻古之贤臣，皆以功受赏。今朕为天下主，岂可使功臣无名为僧？遂强令还俗，复刘秉忠本名，拜光禄大夫，位太保，参领中书省事。
然而位极人臣的刘秉忠，生活依然简朴。他住在城南僻巷，每日步行上朝。有人劝他置办车马，他笑答：昔在军中，徒步日行百里。今在京城，数里之遥，何须车马？
他的俸禄多用于周济族人、修建学校。妻子劝他为子孙置产，他正色道：吾子孙若有才，不藉父业；若不才，守产适以招祸。