回到意大利之後，馬可孛羅在1298年參加了威尼斯與熱那亞的戰爭，不幸被俘。在熱那亞的監獄裡，他經常講述種種東方見聞，使周圍的人們對東方產生了強烈興趣。他還因此在獄中受到優待。同樣被俘的作家露絲梯謙與他合作，於是便有了馬可孛羅口述、露絲梯謙記錄的《馬可孛羅遊記》。這本書的手稿已經遺失了，現存的幾個翻譯版本不太一樣。當時歐洲還沒有印刷術，而這本書非常流行，有很多手抄版本，這是很難得的。

在《馬可孛羅遊記》中，馬可孛羅回顧了他在亞洲尤其是中國各地，包括西域和南海等地遊歷的所見所聞。他講了自己和家族成員到達中國大都，得到皇帝款待，當上了中國官員，在中國遊歷並最終回到故鄉的種種奇遇。

馬可孛羅描述了元初的政事、戰爭、宮廷秘聞、節日、遊獵等，尤其詳細記述了元大都的經濟、文化、風情、民俗、建築等，以及西安、開封、南京、鎮江、揚州、蘇州、杭州、福州、泉州等各大城市和商埠的繁榮景象。他記載，中國有富麗堂皇的宮殿，殿內牆壁上鍍着黃金……即使是普通人家也像歐洲君主一樣富足。

馬可孛羅記載了中國雄偉的大運河，中國人郵政系統，以及使用天文儀器觀測星空等。當時歐洲還沒有紙幣，所以中國的紙幣給他留下深刻印象。他的書中凡談到一個中國城市，都有「使用紙幣」一語。他還記載了大都造幣廠使用桑樹枝製成紙幣的情況。當時的歐洲，大多數人還不知道煤的用處，所以當馬可孛羅看到中國人使用一種可以燃燒的「黑石頭」取暖的時候，也大為驚嘆。

《馬可孛羅遊記》在中世紀歐洲人面前，展示了一個嶄新的東方世界，加深歐洲人對東方世界，特別是對中國的認識。十四、十五世紀歐洲的地理學家，主要根據馬可孛羅這部書所提供的地理知識，繪製出早期的世界地圖。

著名航海家哥倫布被這遊記深深打動，因此帶領船隊向西出發希望到達亞洲，卻在無意間到達了美洲，發現了新大陸。在哥倫布的隨身物品中有一本做滿了筆記的《馬可孛羅遊記》。

馬可孛羅作品中的許多史實都可以與中國歷史上的事件對應。但是，對於馬可孛羅是否真的到過中國，很多人持懷疑態度。馬可孛羅聲稱曾奉命治理揚州，但揚州地方志中對他沒有記載。此外，他的書中也沒有提到中國最具特色的茶、漢字、印刷術以及長城。有人認為他關於中國的知識是從波斯商人處聽來的。