元朝重用
至元二十三年（1286年），元朝行台侍御史程钜夫奉诏搜访隐居于江南的宋代遗臣，得二十余人，赵孟頫名列其首，并单独被引见入宫，觐见元世祖忽必烈。
忽必烈见赵孟頫才气豪迈，神采焕发，如同神仙中人，非常高兴，让他位坐右丞叶李之上。当时朝廷刚刚设立尚书省，命赵孟頫起草诏书，颁布天下。忽必烈看了诏书后称赞道：“说出了朕心中所要说的话。”朝廷召集百官于刑部，商讨制定刑法。众人认为凡贪赃满至元宝钞二百贯者，都应论死罪。赵孟頫则认为处罚太重，因为钞法创立后的几十年内，已大幅度贬值，用贬值的宝钞来决定人的生死，不足采取。有人见他年少，又是来自南方，不了解元朝国情，指责他反对以宝钞来定罪，是想阻碍宝钞的流行。赵孟頫也理直气壮地反驳，指出：“刑法是关系到人命的生死，必须分别轻重。我奉诏参与商议，不敢不言。你不讲道理，企图以势压人，这是不行的！”那人被说得哑口无言。忽必烈打算重用赵孟頫，但遭到了一些人的阻止。
至元二十四年（1287年）六月，忽必烈授赵孟頫为兵部郎中。兵部总管全国驿站，当时来往使臣的饮食费用比过去增加了几十倍，当地官府无力供给，只有强取于民，百姓不胜骚扰，请中书省以增加钞币来解决。但当时至元钞不能通行，朝廷派尚书刘宣与赵孟頫一同至江南查办行省丞相贯彻执行钞法不力之罪，左右司官及诸路官均遭鞭打，然而赵孟頫却不打一人。回京后，丞相桑哥对他的这种宽容大加谴责。
当时，大臣王虎臣揭发平江路总管赵全的违法事实，朝廷命王虎臣去查处。叶李坚持奏请不可派王虎臣，世祖不听。赵孟頫进言说：“赵全违法确实应该问罪，但王虎臣以前在平江也常常强买民田，纵令下属臣僚奸诈营利。赵全曾多次与他争斗，王虎臣怀恨在心。如今派王虎臣去，他必然陷害赵全；纵然查出赵全不法事实，人们也不能不有所怀疑。”忽必烈这才明白过来，改派他人去处理。忽必烈知道赵孟頫家境素来清贫，曾赐他钞五十锭。
至元二十七年（1290年），赵孟頫升任集贤直学士。同年，发生地震，北京尤其剧烈，死伤数十万人，忽必烈为之忧心如焚。忽必烈亲驻龙虎台，派阿剌浑撒里回京，召集集贤、翰林两院官会议，询问此次天灾发生的原因及消灾的办法。但这些官员害怕丞相桑哥，不敢说实话，只是泛引《经》、《传》及五行灾异的话，以修人事、应天变来回答，不敢触及时政。在此前，桑哥遣忻都及王济清理全国钱粮，大加搜括，已征入数百万，未征者还有数千万，弄得民不聊生，百姓相继自杀。逃入山林的人，官府发兵追捕，无人敢来劝阻。赵孟頫与阿剌浑撒里非常友好，劝他去奏请忽必烈大赦天下，免除赋税，这样就可能消弭天灾。阿剌浑撒里按照赵孟頫的意见向忽必烈奏禀，并得到忽必烈的允许。诏书已经草拟完，桑哥大怒，说这不是忽必烈的旨意。赵孟頫挺身而出，对桑哥说：“百姓死亡已尽，那些未征上来的钱粮到哪里去征？若不及时免除，以后若有人将此未征之数千万钱粮作为损失而归咎于尚书省，这岂不深深连累了丞相？”桑哥明白其利害，同意全部免除赋税，百姓因而得救。
忽必烈曾向赵孟頫询问叶李与留梦炎的优劣（二人均为降元的宋臣）。赵孟頫说：“留梦炎是臣父亲的挚友，为人庄重厚道，很自信，多谋能断，有大臣之才。叶李所读的书我都读过，他所知所能的事，臣都能知能办。”忽必烈说：“你是认为留梦炎比叶李要贤吗？但是，留梦炎在宋朝为状元，位至丞相，而在贾似道欺上误国之时，却对贾似道阿谀顺从。叶李当时虽为平民，却敢于上书朝廷，斥责贾似道，显然贤于留梦炎。你因为留梦炎是你父亲的挚友，不敢非议，可赋诗以规劝他。”赵孟頫便赋诗一首，其中有“往事已非那可说，且将忠直报皇元”的话，忽必烈看后大加赞赏。赵孟頫退朝后对奉御彻里说：“陛下在谈论贾似道误国时，责备留梦炎当时不敢指责。如今，桑哥的罪恶甚于似道，而我等不加指责，将来如何能推卸责任？但我毕竟不是陛下亲信之臣，说话陛下必不听从。侍臣中读书知理、慷慨有气节而又为陛下所亲信的人中，没有能超过你的。捐出自己生命而为百姓除害，是仁者之事，希望你能这样！”彻里果然向忽必烈揭发桑哥的罪恶。忽必烈大怒，命卫士将他掌嘴，彻里口鼻血涌，倒在地上。再问，彻里还是斥责桑哥罪行，大臣也相继指责桑哥，忽必烈便将桑哥按罪诛杀，并废除尚书省，凡有罪的大臣也统统罢官。
忽必烈有意让赵孟頫参与中书省政事，赵孟頫坚持不肯。他认为久在君王身边，必受人嫉妒，故极力请求到外地任职。
至元二十九年（1292年），赵孟頫外出任同知济南路总管府事。当地有个叫元掀儿的人，在盐场服役，因不胜艰苦而逃走。他的父亲诬告是同服劳役的人将掀儿杀害。赵孟頫怀疑其中有冤情，不立即判决。一个月后，掀儿自己回归盐场。郡中人都称赞赵孟頫料事如神。佥廉访司事韦哈刺哈孙，性情暴虐，因赵孟頫不顺他的意，借口中伤他；恰逢朝廷要修《世祖实录》，召赵孟頫还京，这才无事。其后，赵孟頫被改授为汾州知州，还未成行，朝廷又令他书写金字《藏经》。
大德三年（1299年）八月，赵孟頫任集贤直学士、江浙等处儒学提举。
至大二年（1309年），在杭州十年官江浙儒学提举任期已满，改任中顺大夫、扬州路泰州尹兼劝农事，尚未赴任，为皇太子爱育黎拔力八达（元仁宗）遣使所召。