兄弟两人回到义大利，此时第八次十字军东征刚刚结束，第九次东征正在筹划中。到教宗格里高利十世给忽必烈的回信，於1271年动身返回中国。这一次尼科洛带了他的儿子马可。
他们从威尼斯乘船到黑海南岸登陆，然后从陆路辗转於1275年抵达元上都（开平），随后又抵达大都（北京）。
马可波罗的聪明一直非常讨忽必烈喜欢，封他许多官，也派他到各地為元朝皇帝的使者。马可波罗去过中国很多地方和见到许多比欧洲先进的文化成就。
在马可波罗动身回欧洲之前，方济各会神父孟高维诺受罗马教宗尼古拉四世派遣，於1291年经海路抵达中国泉州。
1292年，马可波罗和父亲叔叔受忽必烈委託，从泉州出发经海路护送蒙古公主阔阔真到伊儿汗国成婚。忽必烈答应他们，在完成使命后，可以转路回国。1295年波罗一家人回到欧洲。
《马可波罗游记》
波罗一家人回到欧洲后，定居威尼斯。当地人很喜欢来听他们讲诉在中国的经歷，但是大多并不相信他们说的奇人怪事。
1298年，马可波罗参加威尼斯与热那亚之间的海战。战败被俘，在监狱裡花了几个月讲他在中国的经歷给同狱的同伴听。
鲁斯蒂谦写出的书是普罗旺斯语，出版之后很快翻译到其他欧洲语言。由於马可波罗在给狱友描述自己在中国等地的见闻时，老是说百万这个，百万那个，故他被人称作百万先生，而这本游记也因此被称作（百万）。
在中国、日本等地则被称為《马可波罗游记》、《东方见闻录》等。原书现已遗失。几个翻译的版本并不太一样。这本书非常流行，在当时没有印刷术的欧洲是很难得的。
马可波罗是否到过中国，一直惹来重大争议。大多现代歷史学家相信马可波罗确实到了中国，因為他描述了远东生活的很多细节，如纸币、大运河、蒙古军、煤炭、白酒、石棉、虎，皇家邮政系统的结构。
他提到中国对日本古称，是日本在西方文学裡第一次出现；他描述的大都附近的一座桥也较像卢沟桥。
清朝末年，英国一个探险考古队受马可波罗游记的影响，到新疆去查证游记上提到的塔克拉玛干沙漠某处曾有的一些村落。时隔多年。村落已被沙漠黄沙掩埋，然而探险队员在游记上说明的地点大概位置向下发掘，果真掘出屋顶和帐篷器具、衣料、日常用具等物品，证实马可波罗的记载论述没有错误。
但是也有学者认為是马可波罗只在中东黑海遇上多名波斯商人，从其口中听说中国、日本和蒙古帝国等地的故事。实际上从未到过距离黑海数千公里之遥的远东多国。
大英图书馆的中国文献部门主管弗朗西丝伍德曾在1995年出版《马可波罗到过中国吗？》，指出马可波罗在游记中从未提及过缠脚、筷子及万里长城等中国事物，中国官方文献亦无马可波罗家族与中国有直接联繫的纪录，其家族财產中甚至没有任何来自中国的物件，因此推测他根本未到过中国。
2011年，义大利那不勒斯大学彼得雷拉教授提出新证据，指出马可波罗的游记有多个不合理的地方。
例如对1274年及1281年忽必烈两度进攻日本的描述。多次出现了自相矛盾及错误，并且混淆了两次进攻的细节：马可波罗称，第一次进攻的舰队离开朝鲜半岛后，在抵达日本海岸前受到颱风吹袭。但是实际上舰队是在第二次进攻时遇上颱风的。
彼得雷拉质疑马可波罗若亲身目击事件，不可能混淆相隔七年的两件事。彼得雷拉亦指出马可波罗对蒙古舰队的描述，与考古团队在日本发现的船舰残骸不符：马可波罗称蒙古人使用五桅帆船，但是实际上船舰隻有三桅帆船。
襄阳献炮是明显有违史实的捏造。他自称献拋石机帮助攻打襄阳，献炮的是波斯的亦思玛因和阿老瓦丁。元史和其他资料都有他们的传记引以為证。
此外马可波罗多次以波斯语描述地名和物件名称，而非使用当地所使用的语言：例如他指蒙古人用称為唇am的沥青令船身防水，但唇am其实是波斯语的沥青，汉语和蒙古语中并无此词。
德国图宾根大学的汉学教授傅汉思在其著作《马可波罗到过中国：货币、食盐、税收方面的新证据》一书中说明：马可.波罗传记中很多对中国的描述是独一无二并且十分準确的，足以证明其真实性。
例如对他為何从未提及长城的质疑，中西方歷史学界早有共识，认為元朝以前的古长城那时已经完全残破而不再受人关注，而现今举世闻名的明长城自然尚未出现。
又如对现存的中国文献中為何找不到关於马可波罗记载的质疑，傅汉思认為是对中国古代文献性质与密度的严重误判，因為即使是同一时期罗马教宗本篤十二世派往中国的特使团，也从未出现在中国歷史文献中。
傅汉思认為，马可波罗对当时中国的货币、食盐生產与税收体制的大量详细描述，这在当时的欧洲、阿拉伯或波斯文献中根本找不到类似的準确而详尽的描述，说明这些独家描述确实来自於他本人的经歷。
马可波罗在其游记中说，他在中国时懂得四种语言，包括它们的字母和写法，但没有明说是哪四种语言，因此，引起后人的揣测。近代法国人颇节认為，马可波罗懂得的是汉文、回鶻文、八思巴蒙古文和用阿拉伯字母书写的波斯文。
但是，著名的《马可波罗游记》注释家英国人玉耳、法国人戈耳迭，却对马可波罗懂汉语一说持否定。认為马可波罗懂得的四种语言，应是蒙古语、波斯语、阿拉伯语与突厥语（维吾尔语），没有汉语。
虽然马可波罗家人并非第一个到中国的欧洲人（教宗特使柏郎嘉宾在1246年到达蒙古帝国首都哈拉和林），因其游记而著名，其游记也是当时欧洲人最详细的亚洲旅行记录。
他的经歷激发了哥伦布和其他不少旅行家。有很多的文学作品都是基於他的游记。马可波罗还影响了欧洲的地图製作，导致了弗拉毛罗地图的出现。
传说马可波罗从中国带到欧洲很多东西，如冰淇淋、披萨、义大利麵、起司火锅、眼镜、口琴、风箏、恶魔棍。文献与考古上证据证明欧洲在之前时就皆已有。
威尼斯的机场现命名马可波罗国际机场。英国卫星广播公司1989年发射两卫星，马可波罗一号和二号。生意垮台，卫星被卖后改名。
1979年，日本动画动画纪行─马可波罗的冒险。
香港电视台播放《马可孛罗》，以马可波罗17岁到42岁，动画和纪录片综合播出，旁白口述马可波罗到过哪个景点的传奇一生。
1982年，美国与义大利曾经合作的一部电视剧《马可波罗》。
美国国家地理杂誌专属摄影师麦可山下，透过马可波罗的经歷，出版了《马可波罗》摄影集，製作三辑电视节目。