Ở chiến trường Bình Lệ Nguyên quân Đại Việt dần thất thế, nhà vua nghe theo lời khuyên của Lê Tần cho rút quân về Thăng Long để bảo toàn quân số. Tiết chế Trần Quốc Tuấn nhận định thời điểm bây giờ chưa phải là lúc thích hợp để quyết chiến với quân Mông Cổ vì chúng đang rất mạnh. Nhưng nếu không chiến đấu thì làm sao bảo vệ được Thăng Long? Tình thế cam go nan giải, bá quan vò đầu bứt tai nghĩ kế sách chống giặc nhưng vẫn mãi bế tắc.

Lê Tần bèn tâu với Thái Tông:

- Bẩm bệ hạ, mạt tướng mượn lại câu nói năm xưa của thái sư, vua ở đâu triều đình ở đó.

Thái Tông hỏi:

- Ý khanh là sao?

Lê Tần:

- Bẩm, thành trì cũng giống như chiếc áo vậy, ta có thể bỏ nó để đi đến nơi khác. Quan trọng là bệ hạ được an toàn, vì bệ hạ an toàn thì sau này ta mới có cơ hội thắng. Sở dĩ người Tống liên tục bại trận trước Mông Cổ là do họ chỉ khư khư giữ thành, Đại Lý cũng vậy. Thay vì cầm cự từng tấc đất, từng thành trì chi bằng ta tạm lánh đi, đợi khi quân giặc suy yếu rồi mới phản công và giành thắng lợi.

Vua Trần Thái Tông nghe theo kế ấy, tạm thời bỏ thành Thăng Long rút về bến Đông Bộ Đầu, sau đó lui về lập đại bản doanh ở sông Thiên Mạc (Hưng Yên ngày nay) để tạm tránh quân địch, bảo toàn lực lượng. Dân chúng cũng được huy động rút khỏi Thăng Long, tất cả những thứ dùng được phải được mang theo, không được để lại cho giặc bất cứ thứ gì. Giữa tình hình khẩn cấp, vợ của Thái sư Trần Thủ Độ là bà Linh Từ đã đứng ra quán xuyến mọi việc, hỗ trợ hoàng gia và vợ con của các tướng rút lui an toàn. Những thứ cần thiết cho kháng chiến lâu dài như gạo, muối, chăn mền, vũ khí đều được đem theo hết sức chu toàn. Cả kinh thành Thăng Long gấp rút di tản.

Các thuộc tướng của Trần Quốc Tuấn là Trần Tử Đức, Bùi Thiệu Hoa và Trần Ý Ninh dẫn theo quân đội Ngũ Yên xung phong chặn giặc tại Phù Lỗ để triều đình và dân chúng trong thành Thăng Long có thời gian di tản đến nơi an toàn. Quân Ngũ Yên phá cầu Phù Lỗ và lập phòng tuyến ở bờ nam để chặn giặc, mọi chuyện vừa xong thì đại quân của Ngột Lương Hợp Thai ập đến. Cầu đã bị phá, quân giặc cũng không có thuyền bè vượt sông, nhưng Ngột Lương Hợp Thai là một viên tướng xuất sắc, thiện chiến và giàu kinh nghiệm, hắn vẫn tìm được cách giúp quân Mông Cổ qua sông thành công.

Ngột Lương Hợp Thai cho một nhóm quân đi ven bờ sông dò đường, nhóm quân này dùng cung tên bắn xuống nước, nếu chỗ nào nước sông cạn thì mũi tên sẽ không nổi lên mà bị cắm xuống đất, bọn chúng cưỡi ngựa đi theo những vị trí không có mũi tên nổi lên mà từ từ vượt sông. Quân Mông Cổ vượt sông thành công thì chạm trán với Quân Ngũ Yên đang chờ sẵn trên bờ.

Trận ác chiến kéo dài đến mấy ngày. Sốt ruột vì lo vua Trần chạy thoát, Ngột Lương Hợp Thai dốc toàn quân tấn công vào phòng tuyến sông Phù Lỗ nhưng đội quân Ngũ Yên vẫn vững vàng đẩy lui từng đợt tấn công của quân Mông Cổ. Đội quân viễn chinh đầy tự hào của đế quốc Mông Cổ tung hoành ngang dọc, gieo rắc nỗi kinh hoàng khắp nơi từ Á sang Âu nhưng bỗng nhiên lại bất lực hoàn toàn trước quân Ngũ Yên của Trần Tử Đức, bọn chúng không làm sao có thể phá được phòng tuyến Phù Lỗ để đuổi theo vua Trần Thái Tông. Sau vài ngày cầm cự với giặc, quân Ngũ Yên trở nên đuối sức nên dần thất thủ. Nhận thấy quân Mông Cổ đã tràn ngập khắp cả chiến lũy, tình thế vô cùng hiểm nghèo, Trần Tử Đức cho quân sĩ rút lui còn bản thân ở lại chặn hậu. Ông anh dũng hy sinh thân mình, một mình ở lại chặn giặc để bảo vệ cho cấp dưới rút lui an toàn. Phu nhân Bùi Thiệu Hoa rút lui hay tin chồng tử trận thì làm lễ tế chồng rồi tự vẫn chết theo phu quân.

Nhà vua cảm động, phong tặng cho Trần Tử Đức tước hiệu Phú Lương hầu, Đạo thụ Thái phó, Phụ quốc Thượng tướng quân, lại phong cho Bùi Thiệu Hoa là Trinh Nhất công chúa. Về phần em gái của Trần Tử Đức là Trần Ý Ninh được sắc phong làm Vũ Thắng công chúa, gả cho hoàng tử của vua Trần Thái Tông là Vũ Uy vương Trần Nhật Duy, hai người họ sau này sinh ra Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản - người anh hùng xuất thiếu niên lập vô số chiến công hiển hách trong cuộc kháng chiến chống quân Nguyên lần thứ hai, lưu danh muôn thuở.

Quay trở lại với tình hình chiến sự, quân Mông Cổ sau khi phá được phòng tuyến Phù Lỗ thì đã mất dấu vua Trần, chúng vào thành Thăng Long hí hửng mở tiệc ăn mừng. Nhưng quân Mông Cổ cũng không thể vui sướng lâu ngày vì chúng đã dần nhận ra sự bất lợi của mình, Ngột Lương Hợp Thai ngày đêm hối thúc quân lính đi tìm bắt vua Trần Thái Tông về Thăng Long để nhanh chóng chiến thắng nhưng tìm khắp nơi cũng không thấy, trong khi khí hậu đang trở nên nóng nực oi bức, lương thảo mang theo đang dần cạn kiệt, trong kinh thành lại hoàn toàn trống không, không cướp bóc được thứ gì, quân lính Mông Cổ chán nản mất hết động lực chiến đấu, không còn hung hăng như lúc mới đến Đại Việt.

Vua Trần Thái Tông rất lo lắng vì tình hình chiến sự đang căng như dây đàn, Thăng Long đã rơi vào tay giặc, quân Mông Cổ thì ráo riết ngày đêm truy tìm nhà vua và triều đình, trong khi đó lực lượng của quân Đại Việt đã tổn thất rất nhiều trong trận Bình Lệ Nguyên và Phù Lỗ, nếu chẳng may quân Mông Cổ mà tìm ra nơi này thì quân Đại Việt biết chống đỡ làm sao? Nhà vua bèn đến tìm người em trai của mình là Trần Nhật Hiệu để bàn đối sách. Người này run sợ trước sức mạnh của quân Mông Cổ, ngày trước đã từng có lần dâng sớ khuyên nhà vua liên minh với nước Tống để chống lại Mông Cổ. Lần này y vẫn khuyên nhà vua làm như vậy, có điều lần này y còn run sợ đến nỗi không thể nói nên lời khi nghe nhà vua nhắc đến "Mông Cổ", Trần Nhật Hiệu chỉ chấm tay xuống nước tay run run viết chữ: "nhập Tống" (nghĩa là khuyên nhà vua chạy sang Tống, nương nhờ nhà Tống để chống Mông Cổ). Chán ngán với người em bạc nhược, vua Trần Thái Tông tìm đến thái sư Trần Thủ Độ.

Lời của thái sư nói đúng với những gì nhà vua đang mong chờ:

- Đầu thần chưa rơi xuống đất, bệ hạ đừng lo gì khác.

Vào lúc khó khăn thì thái sư Trần Thủ Độ luôn là điểm tựa vững chắc nhất cho nhà vua. Thái Tông và Trần Thủ Độ cùng nhau mau chóng bắt tay vào thực hiện kế hoạch xây dựng lại sức mạnh cho quân Đại Việt, đợi thời cơ phản công.

Hai việc quan trọng nhất là lương thảo và binh khí để chiến đấu lâu dài, ở giai đoạn chiến tranh khó khăn, lương thảo và vũ khí thật sự là vấn đề nan giải đối với triều đình. Thế nhưng dễ trăm lần không dân cũng chịu, khó vạn lần dân liệu cũng xong. Vấn đề lương thảo thì triều đình không cần phải bận tâm vì toàn dân cả nước đều đoàn kết, đồng lòng góp gạo nuôi quân. Còn về phần vũ khí, dân chúng vận động lẫn nhau đi thu nhặt các vũ khí bị bỏ lại, rơi vãi trên chiến trường, đồng thời họ còn khẩn trương rèn giáo mác, vót mũi tên góp thêm cho triều đình. Cả nước lúc này đồng lòng đánh giặc, mọi người ai cũng đóng góp sức lực theo hoàn cảnh của mình, nhà giàu đóng góp lương thực, vũ khí, còn người bình dân thì góp công xay lúa giã gạo, rèn đúc vũ khí. Nhờ vậy mà quân Đại Việt nhanh chóng lấy lại sức mạnh.

Trong khi đó ở Thăng Long, quân Mông Cổ rơi vào tình trạng tiến thoái lưỡng nan vì bị trúng kế "vườn không nhà trống". Chúng tìm bắt vua Trần Thái Tông mãi không được, ở lại thì không có lương thực nuôi quân vì lương thực mang theo đã cạn, cũng chẳng cướp bóc được gì, còn rút quân về cũng không được, tinh thần quân Mông Cổ đang chạm đáy vì chúng đã thật sự bị cô lập.

Khi quân Đại Việt còn đang đóng ở Thiên Mạc thì viên tướng trẻ Trần Khánh Dư đã tự thống lĩnh đội quân gia binh của mình liên tiếp xuất hiện ở gần đại doanh quân Mông Cổ, tổ chức những trận mai phục nhỏ, tiêu diệt những toán quân đi lẻ tẻ cướp bóc. Con trai nuôi của vua Trần Thái Tông dũng mãnh mưu trí cùng với đội quân của mình đã làm cho quân Mông Cổ thêm phần hoang mang, càng cổ vũ cho tinh thần quân Đại Việt lên cao. Thời cơ chiếm lại kinh thành Thăng Long, đuổi giặc ra khỏi bờ cõi Đại Việt đã đến rất gần.