1226年，成吉思汗破甘州，平西夏，甘州仍为河西的一大都会。元世祖忽必烈中统二年（1261年），始在中兴府（今银川）建立西夏中兴等处行中书省。元世祖至元元年（1264年），在甘州立甘肃路总管府，总管河西各处。至元七年（1270年），分出肃州另立肃州路，甘肃路改称甘州路。至元十五年（1278年），在西凉府地域置永昌路，西凉府降为永昌路下辖的西凉州。至元十七年（1280年），又升沙州为沙州路，瓜州为沙州路所辖州。期间，中兴行省或甘肃行省屡立屡废，至元二十三年（1286年），西夏中兴省移甘州路，废中兴省，正式建立甘肃行省；同年置亦集乃（额济纳）路与兀剌海（阿拉善）路，另置西宁、山丹二直隶州。至元二十五年（1288年），在中兴置宁夏府路。至此，甘肃行省直辖甘州、永昌、肃州、沙州、宁夏府、亦集乃、兀剌海七路及山丹、西宁二直隶州。按人口标准规定：10万户以上为上路，10万户以下为下路；1．5万户以上为上州，6000户以上为中州，6000户以下为下州。甘肃七路二州均为下路或下州，其中甘州路因地处要冲，又是省会所在地，故被定为上路。

甘肃行中书省对钱粮、兵甲、屯种、军国重事都管。其人员配备是：最高长官为丞相（或置，或不置），从一品；平章2员，从一品；右丞与左丞各1员，正二品；参知政事1员，从二品；郎中2员，从五品；员外郎2员，从六品；都事2员，从七品；椽史、蒙古必赤（书史）、令史、通事、知印、宣史设员有差。另有儒学提举司，统路州学校的祭祀、教养、钱粮之事及考校呈进的著述文字，设提举1员，从五品；副提举1员，从七品；吏目1人，司吏2人。诸路总管府，甘州路设达鲁花赤（镇守官）1员，总管1员，均正三品（下路为从三品），兼管劝农事；同知、治中、判官各1员（下路无治中）；置推官2员，专治刑狱（下路设1员）；经历1员，知事1员或2员；照磨兼承发架阁1员；司吏无定制，按需要人数定；译史、通事各1人。诸路尚有属员：儒学教授1员，正九品，学正1员，学录1员；蒙古教授1员，正九品；医学教授1员；阴阳教授1员；司狱司，司狱1员，丞1员；平准行用库：提领、大使、副使各1员；织染局：局使1员，副使1员；杂造局：大使1员，副使1员；府仓：大使1员，副使1员；惠农药局：提领1员，良医上路2人，下路州各1人；税务：提领1员，大使、副使各1员；录事司：录事1员，正八品，掌城中户民之事。山丹、西宁二州均为下州，每州设达鲁花赤、知州各1员，均从五品；同知正七品，判官正八品，兼捕盗事。参佐设吏目1员或2员。另设学正1员。

元至元二十年（1283年）部拟：“甘肃、中兴行省所辖系西夏边地，腹里（指内地）迁去甘肃官员，拟升二等，中兴拟升一等。意思是内地调来甘肃的官员可提两级工资。

元至元二十四年（1287年），在甘州设河西陇右道肃政廉访司，以提刑按察，兼劝农事。隶陕西行台。设廉访使2员，正三品；副使2员，正四品；佥事4员，正五品；经历1员，从七品；知事1员，正八品；照磨兼管勾1员，正九品；书吏16人，译史、通事各1人，奏差5人，典史2人。

《元史·甘肃行省军民屯田》载，元至元十八年（1281年），发军于甘州黑山子、满峪、泉水渠、鸭子翅立屯，为户2390，为田1167顷。元至元二十二年（1285年），迁甘州新附军往屯亦集乃，为田92顷；宁夏府屯田1011户，2247顷。

《元史·食货·税粮》：甘肃行省年入粮60586石，年入酒税2078锭，年入商税17361锭（每锭银五十两）。年入粮数体现农业水平不高，商税酒税则标志产品交易繁荣及酿酒业的兴盛。

《元史·站赤》载，甘肃行省所辖三路，脱脱禾孙马站六处，马491匹，牛149头，羊650口。另有甘肃纳邻驿（纳邻为敏捷、机密之意），为大都（北京）通往西北边境的军事驿道，由国家直接管理。

元虞集等著《皇朝经世大典》，此书被明《永乐大典》收录。《经世大典》世已无存，残存的《永乐大典》尚有该书的“站赤”部分，记载有一条奉元路（今西安）至兀端（即斡端，今新疆和田）的驿路。其中由陕西省的省会奉元路到甘肃省会甘州路所记驿名、里程比较详细，其所行路线是避开六盘山、华家岭，绕道环庆路，进入宁夏境，由中卫横穿腾格里沙漠而达甘州。原文录后：

“奉元正西五十（里）咸阳，五十兴平。兴平正北九十乾州，七十永寿，八十五泰和坊，九十邠州。正北偏西百八十宁州（今正宁），百八十庆阳，二百环州（今环县），二百五十萌井。西北三百灵州，一百二十鸣沙（今中宁），应理州（中卫），百八十野马泉（按由中卫横穿腾格里沙漠至野马泉不止180里），百六十永昌府（按武威北面的永昌乡旧名永昌府，为元永昌王阔端家族府第），正北六十辛汜，百六十青寺，百三十甘州。舍站、忙不剌。肃州、赤金、瓜州、沙州，自北到兀端五千里。”

据民勤老驼工讲，中宁与中卫交界处地名头道湖，是腾格里沙漠东面的出入口，由此进入沙漠西至野马泉超过三百里。野马泉水草丰美，是石羊河（白亭河）畔的村落。

清代张王召美在月色下夜行腾格里沙漠，有赞腾格里沙漠《三秋月色》诗，描绘了该沙漠在月色下的独特景观：

雁寒沙沉一掌平，夜来如水漾轻盈。

笳声不动霜华静，练色如新玉宇清。

雕落寒隅河欲曙，兔眼落窟月长明。

黄昏每晃三秋影，一碧无垠万里晴。

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