Quân Đại Việt thua trận liên tiếp, tất cả các cánh quân phải lui về phòng thủ tại Vạn Kiếp. Vua Trần Nhân Tông và thượng tướng Trần Quang Khải đem quân đến Vạn Kiếp chi viện. Vừa đến nơi, nhà vua cho vời Trần Hưng Đạo đến gặp, sắc mặt nghiêm trọng.

Nhà vua hỏi Trần Quốc Tuấn:

- Thế giặc mạnh như vậy hay là trẫm đầu hàng để cứu muôn dân khỏi cảnh lầm than?

Quốc Tuấn khẳng khái tâu:

- Xin bệ hạ chém đầu thần rồi hãy hàng.

Câu nói kiên định của Quốc Tuấn khiến Nhân Tông an lòng, nhà vua sai người đem đến một xấp tấu chương đưa Quốc Tuấn xem rồi nói:

- Quốc công, đây là tất cả tấu chương của những quan thần trong triều muốn hoán đổi khanh, họ tâu khanh không có đủ năng lực làm thống soái ba quân, lại có mưu đồ tạo phản. Hôm nay trẫm đem đống tấu chương này trả hết lại cho khanh.

Quốc Tuấn thấy vậy không khỏi nghẹn ngào, thề với nhà vua:

- Bẩm bệ hạ, thần, Trần Quốc Tuấn xin thề sau này nhất định sẽ trả cho bệ hạ một chiến thắng, một chiến thắng làm kinh thiên động địa.

Sau đó vua tôi nhà Trần cùng nhau bàn bạc chiến sự, chỉnh đốn quân lực. Nhà vua lệnh cho Quốc Tuấn ở lại giữ Vạn Kiếp, còn bản thân lui về sông Đuống đích thân đôn đốc quân sĩ dựng phòng tuyến tiếp theo.

Khi đại quân Thoát Hoan tiến đến Vạn Kiếp, biết được quân Đại Việt đang tập trung một lực lượng rất lớn tại đây, lại có thủy quân tham chiến nên Thoát Hoan cũng lập ra một đội thuyền chiến gồm 60 chiếc thuyền, với khoảng 1300 tên lính và giao cho Ô Mã Nhi - là một viên tướng có biệt tài thủy chiến làm Nguyên soái thủy quân chỉ huy quân thủy.

Thoát Hoan thống lĩnh đại quân bằng đường bộ, rầm rộ tấn công vào Vạn Kiếp. Các viên tướng sừng sỏ của quân Nguyên là A Lý Hải Nha, Lý Hằng, Bột La Đáp Nhĩ, Tôn Hựu, Sát Tháp Nhi Đài và Khoan Triệt đều xung trận đầu, chia quân ra đánh; trong khi cánh thủy quân do Ô Mã Nhi, Nghệ Nhuận chỉ huy lần lượt tấn công vào các trại quân Trần ở Chí Linh, âm mưu lúc quân chủ lực trên bộ của Đại Việt thua rồi rút chạy bằng đường thủy thì Ô Mã Nhi đốc quân xông ra đánh chặn đường lui.

Điểm qua lực lượng bên phía Đại Việt, Trần Quốc Tuấn và các tướng lĩnh tập trung phần lớn quân đội chủ lực tại đây, lại điều thêm cả tượng binh tham chiến nhằm khắc chế kỵ binh Nguyên Mông. Những người chỉ huy trận này bên phía quân Trần là Hưng Đạo vương, Chiêu Minh vương, Bảo Nghĩa vương, Nhân Huệ vương và Phạm Ngũ Lão. Ngoài ra "Ngũ Hổ tướng" dưới trướng Hưng Đạo vương cũng tham chiến. Năm người đó lần lượt là:

1. Yết Kiêu (Phạm Hữu Thế), có tài bơi lội và thủy chiến. Vũ khí là hai cây rìu sắt. Yết Kiêu được Hưng Đạo vương cử đi hỗ trợ cho Trần Khánh Dư bên cánh thủy quân đối đầu với Ô Mã Nhi.

2. Dã Tượng, sức khỏe phi thường, có tài thuần phục và huấn luyện voi chiến. Vũ khí của Dã Tượng là một cây chùy sắt. Dã Tượng được Hưng Đạo vương giao cho chỉ huy đội tượng binh.

3. Lư Cao Mang, võ công phi phàm, trên tay ông cầm một thanh đao to.

4. Đại Hành, khí chất uy dũng, vũ khí là thanh xà mâu.

5. Nguyễn Địa Lô, có biệt tài bắn cung bách phát bách trúng, được người đời ca tụng là "thần tiễn".

Thoát Hoan dẫn quân tấn công phòng tuyến Vạn Kiếp. Hỗn chiến trong đám quân, A Lý Hải Nha sấn ngựa lao vào rất dũng mãnh, một mình hắn giết được rất nhiều quân lính Đại Việt. Trần Quang Khải thấy vậy múa thương xông đến A Lý Hải Nha, hai người đánh nhau hơn năm mươi hiệp vẫn không phân thắng bại, Hưng Đạo vương lo một mình Quang Khải không thắng được A Lý Hải Nha nên xông vào trợ chiến. Hai người liên thủ, bên tả bên hữu càng đánh càng hăng, A Lý Hải Nha núng thế phải tung hư chiêu rồi thừa cơ thoát khỏi vòng vây của hai người để thoát thân.

Trong khi đó, Lý Hằng, Sát Tháp Nhi Đài và Tôn Hựu chia quân ba hướng tấn công. Các tướng nhà Trần chia quân chống đỡ. Bên phía Thoát Hoan, hắn được các tướng sĩ tả hữu xung quanh bảo vệ. Phạm Ngũ Lão nhìn thấy Thoát Hoan trong trận liền gọi Cao Mang và Đại Hành đến hỗ trợ, ba người xông đến toan giết chết tên chủ tướng giặc. Bọn hộ vệ cho Thoát Hoan có Lưu Thế Anh, Khoan Triệt và bọn lính cận vệ xông đến. Hai bên đánh nhau dữ dội, cứ nghĩ võ công của con trai Hốt Tất Liệt chỉ là tầm thường nhưng hóa ra hắn mới là cao thủ. Ba thuộc hạ của Hưng Đạo vương bị bao vây, Nguyễn Địa Lô từ ngoài bắn tên vào đám quân lính Thoát Hoan mới giúp cho ba người kia phá vòng vây thoát ra được.

Dã Tượng chỉ huy tượng binh xông lên trợ chiến cho quân Đại Việt. Từ trên voi, cung thủ bắn tên xuống như mưa tăng thêm uy lực cho tượng binh. Quân Nguyên Mông hoảng loạn, trúng tên tử trận không ít. Chúng dần dần bị đẩy lùi về phía sau, không có thời gian phái cung thủ bắn tên vào mắt voi và quản tượng do bị tượng binh nhà Trần bắn tên "phủ đầu" trước, bấy giờ Thoát Hoan mới nghĩ ra một cách vô cùng tàn nhẫn, hắn bắt quân lính người Tống xông lên đi trước mở đường dùng cung tên bắn trả Đại Việt, quân Nguyên dùng khiên chắn đi theo phía sau.

Vô số tướng sĩ người Tống bỏ mạng, thây chất thành đống. Do quân Nguyên (chính xác là người Tống chết thay cho quân Nguyên) ồ ạt xông lên như biển người, chúng đông đến nỗi khiến cho cung thủ và tượng binh Đại Việt bị lúng túng mà vỡ trận, quản tượng và voi đều bị trúng tên. Cuộc chiến giằng co suốt ba ngày khiến cả hai bên tổn thất nặng nề.

Do quân địch quá đông, nhắm chừng không thể giữ nổi Vạn Kiếp nên Quốc công Tiết chế lệnh rút quân theo đường thủy, lui về giữ Thăng Long. Giữa đường Ô Mã Nhi và Nghệ Nhuận chỉ huy thủy quân Nguyên Mông xông ra chặn đường lui của quân Đại Việt nhưng thất bại, Nghệ Nhuận bị chém chết tại trận.

Đại quân Thoát Hoan không gặp nhiều khó khăn trên đường tiến đến Thăng Long. Tuy hai bên có trận giao tranh ở phòng tuyến sông Đuống nhưng quân Trần nhanh chóng bại trận phải rút lui. Thoát Hoan sai quân lính dựng cầu phao vượt sông, tiếp tục tiến quân.