Mọi việc bàn định và chuẩn bị đã xong, đoàn thủy quân Đại Việt nối tiếp nhau xuôi dòng sông Hồng tiến về Thăng Long. Thái tử điện hạ Trần Hoảng 18 tuổi cũng được vua Trần Thái Tông dẫn theo cùng chỉ huy trận đánh này. Rạng sáng ngày 29/01/1258 (nhằm ngày 24 tháng Chạp, năm 1257) thủy quân Đại Việt tắt hết đuốc, âm thầm chèo thuyền tiếp cận bến Đông Bộ Đầu, nơi quân Mông Cổ đóng đại bản doanh. Ngay sau khi tiếp cận Đông Bộ Đầu thành công, quân Đại Việt bất thình lình thắp đuốc sáng rực một khúc sông, trống trận nổi lên, những làn mưa tên bất ngờ bắn tới tấp vào đại doanh quân Mông Cổ. Chẳng mấy chốc hàng hàng lớp lớp quân Đại Việt đổ bộ lên bờ đánh sâu vào doanh trại địch. Quân Mông Cổ bị tấn công bất ngờ vào nửa đêm nên bị tổn thất ở vòng ngoài và có phần hoảng loạn lúc đầu thì gấp gáp định thần, dàn đội hình chống đỡ, Ngột Lương Hợp Thai ra sức hô hào quân lính chiến đấu, chỉnh đốn hàng ngũ, kỵ binh Mông Cổ vội lên ngựa ùa ra kịch chiến với quân Đại Việt. Nhưng lúc này quân Đại Việt đã tràn lên bờ với quân số áp đảo, lại có lợi thế về sĩ khí, quân no đánh quân đói nên trận tuyến Đại Việt hoàn toàn vượt trội so với quân địch.

Trần Thái Tông và thái tử Trần Hoảng ngự trên lâu thuyền chỉ huy trận đánh, Lê Tần cùng với Trần Khánh Dư dẫn quân chia làm nhiều mũi tấn công khiến cho quân Mông Cổ dồn quân phòng ngự ở hướng này thì lại bị hở ở hướng kia, do trời tối và lực lượng hai bên chênh lệch.

Trong trận chiến này Trần Khánh Dư đã có cơ hội thể hiện tố chất của một tướng quân tài ba trước mặt vua và thái tử. Ông quan sát được sơ hở của giặc, đốc thúc quân đánh sâu vào lòng địch làm cho quân Mông Cổ tổn thất nặng nề, khí thế quân Đại Việt dâng cao ngút trời. Ngột Lương Hợp Thai nhắm rằng thế trận đã được định đoạt, không thể chống cự được lâu nên y lập tức cho rút quân gấp về phía bắc, men theo sông Nhị, sông Thao chạy một mạch về Vân Nam (Trung Quốc). Vậy là quân Mông Cổ chiếm đóng kinh thành Thăng Long chỉ được vỏn vẹn trong vòng 9 ngày.

Quân Mông Cổ đại bại, chỉ biết cắm đầu cắm cổ bỏ chạy thoát thân, trời chỉ vừa mới sáng mà bọn chúng đã chạy về đến gần biên giới. May mắn cho Ngột Lương Hợp Thai và bọn lính lác của hắn là lúc đó triều đình nhà Trần đã không kịp bố trí quân mai phục, cũng vì thế mà bọn chúng chỉ gặp phải dân binh tập kích giữa đường, nếu đó là do quân đội triều đình chặn đánh thì e là quân giặc khó có lối về.

Khi chạy đến châu Quy Hóa (Yên Bái, Lào Cai hiện nay) giặc tưởng rằng đã thoát thân nhưng nào ngờ chủ trại Quy Hóa là Hà Bổng đã chỉ huy dân binh mai phục, chờ sẵn bọn chúng ở đây. Quân Mông Cổ thấy dân binh xông ra đánh nhưng chúng lại không dám chống trả mà quay đầu bỏ chạy, cố chạy sang Vân Nam, chúng đói và mất hết ý chí chiến đấu, lại khiếp sợ đến nỗi không dám cướp bóc dọc đường. Vì thế nên bị dân Đại Việt chế giễu, gọi là "giặc Phật". Gần 5 vạn quân của đế quốc Mông Cổ hùng hậu kéo sang Đại Việt nhưng chưa đầy một tháng đã thất bại, chạy trốn không còn manh giáp. Khi về đến Vân Nam hội quân với Hốt Tất Liệt, bấy giờ Ngột Lương Hợp Thai chỉ còn hơn 5000 binh sĩ.

Đại Hãn Mông Kha tức giận định chém đầu cha con Ngột Lương Hợp Thai vì tội làm mất mặt "thiên triều" nhưng nhờ có Hốt Tất Liệt can ngăn, dù gì hai cha con y cũng là hậu duệ của danh tướng Tốc Bất Đài - nhân vật khai quốc công thần của đế quốc Mông Cổ nên được tha mạng. Tuy nhiên "tội sống khó tha", Ngột Lương Hợp Thai bị tước hết binh quyền, A Truật được giữ lại, về sau rất được Hốt Tất Liệt tin dùng. A Truật chính là Đại tướng Tổng chỉ huy của quân đội Mông Cổ trong chiến dịch Tương Dương - Phàn Thành (1267 - 1273), đây là chiến dịch bước ngoặt dẫn đến sự diệt vong của nhà Tống.

Đại Việt đại thắng, triều đình trở về Thăng Long, dân chúng hào hứng chào đón đoàn quân nhà vua trở về. Trước đây trong lúc gấp gáp di tản khỏi Thăng Long, chiếc ấn mật của vua bị lạc mất, đến hôm nay có ông lão đến Thăng Long dâng lại. Thì ra ông lão đã nhặt được chiếc ấn từ lâu nhưng sợ quân Mông Cổ phát hiện mà cướp đi nên lão đã cất giấu rất kĩ, đợi đến khi quân nhà vua về đến Thăng Long, lão mới đến trao tận tay cho quan Chưởng Ấn. Hay tin chiếc ấn vẫn còn, Thái Tông cả mừng, nhân đó vua sai quan Chưởng Ấn đi tìm chiếc ấn báu được cất giấu trên xà ngang ở nóc cung điện Đại Minh. May thay, chiếc ấn báu vẫn còn nguyên ở đấy, nó đã thoát được bao lần lùng sục gắt gao và tàn phá ác liệt của quân Mông Cổ.

Việc tìm thấy cả ấn báu lẫn ấn mật khiến cho không chỉ triều đình vui mừng mà toàn thể dân chúng vô cùng hồ hởi, vì chiến thắng ngày hôm nay là một chiến thắng trọn vẹn. Dịp Tết Nguyên Đán lại đến, cả nước hân hoan thưởng Tết trong niềm vui chiến thắng, đây thật sự là một trong những dịp Tết Nguyên Đán tuyệt vời nhất của dân tộc.

Vào đúng ngày mồng 1 Tết năm Mậu Ngọ, nhà vua cho tập hợp trăm quan vào chầu và định công ban thưởng, trong đó Lê Tần là người có công lớn nhất trong cuộc kháng chiến chống quân Mông Cổ, được phong tước Bảo Văn hầu, thăng làm Ngự Sử, ông còn được nhà vua đặt tên là Lê Phụ Trần để ghi nhớ công lao phò vua giúp nước. Chủ trại châu Quy Hóa là Hà Bổng được phong tước hầu, những người khác cũng đều được nhà vua tưởng thưởng tùy vào sức cống hiến trong cuộc chiến vừa qua. Như vậy là trăm dân bình yên, nước nhà thái bình, thịnh trị.