A la muerte de su padre reanudó la ofensiva contra los musulmanes, ocupando las fortalezas de Jerez (1253) y Cádiz (c. 1262). En 1264 tuvo que hacer frente a una importante revuelta de los mudéjares asentados en el valle del Guadalquivir. La tarea más ambiciosa del rey fue su aspiración al Sacro Imperio Romano Germánico, proyecto al que dedicó más de la mitad de su reinado.

Los últimos años de su reinado fueron especialmente sombríos. Desde 1272 un sector de la alta nobleza se enfrentó al monarca. Además, la muerte en 1275 del infante Fernando, primogénito de Alfonso X, abrió un disputado pleito de sucesión. Los hijos de este infante, los llamados infantes de la Cerda, Alfonso y Fernando, pugnaron por la sucesión a la Corona con el infante Sancho, segundo de los hijos de Alfonso X. Finalmente fue este último infante el que consiguió imponerse en el trono.

Una de las facetas más importantes de su reinado fue su labor legisladora, indisolublemente ligada a la introducción en Castilla y León del Derecho Romano. Bajo su impulso se organizó un formidable corpus de textos jurídicos, tanto doctrinales como normativos. Sus obras más significativas en este terreno fueron el Fuero Real, el Espéculo y las Siete Partidas.

Las grandes realizaciones del monarca en el campo de la cultura le merecieron con justicia el apelativo de 'Sabio'. La nota más singular de su empresa cultural fue su vinculación simultánea a Oriente y Occidente. Con él se desarrolló en la Corona de Castilla una cultura de síntesis, en la que entraban ingredientes tanto cristianos como musulmanes y judíos.

La fecundidad de la colaboración entre intelectuales de las tres culturas tiene su máxima expresión en la Escuela de Traductores de Toledo. En el campo de la poesía Alfonso X nos ha transmitido un espléndido repertorio de Cantigas, siendo las más conocidas las de carácter religioso o de Santa María.

El monarca castellano-leonés potenció notablemente los estudios musicales y en el terreno propiamente recreativo destaca la obra que salió de los talleres alfonsinos llamadas Libros de axedrez, dados e tablas.