回到意大利之后，马可孛罗在1298年参加了威尼斯与热那亚的战争，不幸被俘。在热那亚的监狱里，他经常讲述种种东方见闻，使周围的人们对东方产生了强烈兴趣。他还因此在狱中受到优待。同样被俘的作家鲁思梯谦与他合作，于是便有了马可孛罗口述、鲁思梯谦记录的《马可孛罗游记》。这本书的手稿已经遗失了，现存的几个翻译版本不太一样。当时欧洲还没有印刷术，而这本书非常流行，有很多手抄版本，这是很难得的。

在《马可孛罗游记》中，马可孛罗回顾了他在亚洲尤其是中国各地，包括西域和南海等地游历的所见所闻。他讲了自己和家族成员到达中国大都，得到皇帝款待，当上了中国官员，在中国游历并最终回到故乡的种种奇遇。

马可孛罗描述了元初的政事、战争、宫廷秘闻、节日、游猎等，尤其详细记述了元大都的经济、文化、风情、民俗、建筑等，以及西安、开封、南京、镇江、扬州、苏州、杭州、福州、泉州等各大城市和商埠的繁荣景象。他记载，中国有富丽堂皇的宫殿，殿内墙壁上镀着黄金……即使是普通人家也像欧洲君主一样富足。

马可孛罗记载了中国雄伟的大运河，中国人邮政系统，以及使用天文仪器观测星空等。当时欧洲还没有纸币，所以中国的纸币给他留下深刻印象。他的书中凡谈到一个中国城市，都有“使用纸币”一语。他还记载了大都造币厂使用桑树枝制成纸币的情况。当时的欧洲，大多数人还不知道煤的用处，所以当马可孛罗看到中国人使用一种可以燃烧的“黑石头”取暖的时候，也大为惊叹。

《马可孛罗游记》在中世纪欧洲人面前，展示了一个崭新的东方世界，加深欧洲人对东方世界，特别是对中国的认识。十四、十五世纪欧洲的地理学家，主要根据马可孛罗这部书所提供的地理知识，绘制出早期的世界地图。

著名航海家哥伦布被这游记深深打动，因此带领船队向西出发希望到达亚洲，却在无意间到达了美洲，发现了新大陆。在哥伦布的随身物品中有一本做满了笔记的《马可孛罗游记》。

马可孛罗作品中的许多史实都可以与中国历史上的事件对应。但是，对于马可孛罗是否真的到过中国，很多人持怀疑态度。马可孛罗声称曾奉命治理扬州，但扬州地方志中对他没有记载。此外，他的书中也没有提到中国最具特色的茶、汉字、印刷术以及长城。有人认为他关于中国的知识是从孛斯商人处听来的。