Богатства Китая, не шедшие ни в какое сравнение с унылыми монгольскими степями, виденными Карпини и Рубруком, поразили воображение братьев, и летом 1271 года они вновь отправились ко двору великого хана. На этот раз Никколо взял с собою Марко. Теперь братья избрали маршрут, пройденный ими два года назад при возвращении из Китая: от Акки через Малую Азию и Армянское нагорье до Басры и Тебриза, через пустыню до Кайена и Балха и далее до Памира, затем они достигли Тибета и через область тангутов спустя три с половиной года после начала путешествия прибыли в ставку великого хана Клеменфу (Шанду, километрах в трехстах к северу от Пекина).
Это путешествие растянулось на двадцать четыре года, из них около двадцати лет семейство Поло жило в Китае и находилось на службе у великого хана. В 1275-1279 годах, когда хан завоевывал остававшиеся еще независимыми области Китая, Марко сконструировал несколько метательных и осадных машин и преподал монголам основы осадного искусства, хорошо знакомого венецианцам. Благодаря этому он снискал особое расположение Хубилая и в течение многих последующих лет пользовался неограниченной свободой, разъезжая по стране и изучая ее.
В 1292 году ко двору великого хана прибыло посольство от ильхана Ирана Аргуна с просьбой прислать достойных невест для самого Аргуна и для его наследника. Хубилай снарядил четырнадцать четырехмачтовых кораблей, способных нести по дюжине парусов каждое, и отправил в Тебриз китайскую и монгольскую принцесс, снабдив корабли продовольствием на десять лет. Сопровождать невест он поручил Марко.
Флотилия отправилась из Зейтуна через Чинское (Южно-Китайское) море и через три месяца достигла Явы. На Суматре Марко узнал о «стране семи тысяч четырехсот сорока восьми островов» - Индонезии, затем мимо Никобарского и Андаманского архипелагов прибыл к Цейлону, и наконец, вдоль берегов Индии и Ирана, корабли вошли в Персидский залив.
Все это плавание заняло двадцать один месяц, за это время умерли и Аргун, и восьмидесятилетний Хубилай. Из шестисот пассажиров флотилии в живых осталось восемнадцать человек: такова была тогда цена мореплавания. Смерть хана освободила венецианцев от обязательства вернуться к нему, и в следующем, 1295 году они прибыли домой через Трапезунт и Константинополь.
В 1298 году между Венецией и Генуей вспыхнула война, и Марко вместе с адмиралом Дандоло 7 сентября попал в плен во время морского сражения у Корчулы, где, по словам современников, он отличился незаурядной храбростью и военным мастерством. Томясь от бездействия в генуэзской темнице, н продиктовал свои воспоминания другому пленнику - пизанцу Рустичано, записавшему их на венецианском диалекте. Это сочинение, названное «Книгой о разнообразии мира», было продиктовано по горячим следам за очень короткое время, ибо Марко был отпущен на свободу через девять месяцев, но в течение веков служило авторитетнейшим источником для картографов, географов, этнографов и путешественников.
Значение книги невозможно переоценить. Описание персидских пустынь, монгольских степей и рек соседствует в ней с живыми и точными зарисовками обычаев и обрядов Тибета и Бирмы, Лаоса и Вьетнама, Японии и Индии. Из нее европейцы впервые узнали о жемчужине южных морей Яве, о людоедах Суматры, о голых дикарях Никобарских и Андаманских островов, о могиле Адама на Цейлоне и о птице Рухх (эпиорнисе), водящейся на Мадагаскаре. Впервые после Геродота Марко Поло указал на возможность обогнуть Африканский континент. То, чему Марко был очевидцем, он воспроизводит с документальной точностью; сведения об Африке или Мадагаскаре, основанные на слухах и устных рассказах, менее достоверны, хотя в общем достаточно критичны и правдивы. Это не осталось не замеченным и современниками.
Умер Марко 8 января 1324 года в возрасте семидесяти лет, всеми осмеянный и презираемый. Даже немногие оставшиеся у него друзья слезно молили умирающего путешественника отречься хотя бы от самых лживых, по их убеждению, страниц его книги. И еще много лет спустя после его смерти на венецианских карнавалах наряду с масками Арлекино и Пьеро забавляла зрителей маска Поло, изрекавшая самые невероятные небылицы.
Первыми его заслуги и его правдивость признали испанцы, составившие в 1375 году в Каталонии карту Востока по книге Марко. В 1459 году его сведениями воспользовался венецианец Фра-Мауро при работе над круговой картой мира. А чуть позднее книга Марко Поло стала настольной для некоего генуэзца по имени Кристобаль Коломбо.