Trên đường tiến đến Thăng Long, Thoát Hoan ra lệnh cho quân lính ra sức tàn phá làng mạc, cướp bóc lương thực, của cải của bá tánh. Bắt được ai có chữ "sát Thát" trên tay thì chúng đều giết chết. Quân Nguyên tiến đến bờ sông Hồng thì nhìn thấy ở bờ bên kia quân Đại Việt đã dựng lên một phòng tuyến bằng gỗ vô cùng vững chắc có thuyền chiến đậu san sát, Thoát Hoan không ra lệnh tấn công ngay mà cho quân đóng trại để dò xét động tĩnh.

Tại Thăng Long, vua Trần Nhân Tông sốt ruột muốn biết tình hình quân địch bên sông thế nào nên cử Đỗ Khắc Chung làm sứ giả sang trại giặc để thám thính binh tình. Đỗ Khắc Chung lấy cớ là sứ giả đưa thư xin cầu hòa của vua Trần Nhân Tông để vượt sông, đến doanh trại của Ô Mã Nhi.

Tên tướng giặc xem thư xong thì lên giọng hạch hỏi:

- Quốc vương ngươi vô lễ, sai người thích hai chữ "sát Thát" tỏ ý khinh thường thiên triều, còn hòa cái gì?

Đỗ Khắc Chung vén tay áo cho Ô Mã Nhi xem rồi nói:

- Đấy là do lòng căm phẫn nên quân lính đã tự thích vào hai chữ ấy, chứ Quốc vương không biết được. Nếu là lệnh bề trên, tôi là người hầu cận, sao lại không có?

Ô Mã Nhi lại vặn tiếp:

- Đại quân ở xa đến, sao quốc vương ngươi không đến tiếp kiến, lại còn dám kháng cự? Thật đúng là bọ ngựa dám chống xe!

Khắc Chung đối đáp:

- Bức bách nhau quá, loài thú cũng phải cắn lại, huống gì là người.

Cứ như thế, Khắc Chung ứng đối rất rạch ròi, câu nào ra câu nấy, khiến cho Ô Mã Nhi không thể bắt bẻ, sau đó thì Đỗ Khắc Chung đường hoàng cáo từ ra về, khiến Ô Mã Nhi thán phục.

Khi Khắc Chung đi rồi, Ô Mã Nhi quay sang nói với tùy tùng:

- Chúng nó đang bị uy hiếp mà lời lẽ vẫn tự nhiên, không hạ chủ mình xuống, mà cũng không nịnh ta. Nước này có những người như thế, chưa dễ đã chiếm được.

Ô Mã Nhi hữu dũng vô mưu không hiểu được ý đồ của Đỗ Khắc Chung sang doanh trại của hắn có mục đích là để thám thính, khi tùy tùng của y nhắc thì hắn mới nhận ra. Ô Mã Nhi lật đật phái một đội quân đuổi theo bắt Đỗ Khắc Chung nhưng đã muộn.

Về đến kinh thành, Đỗ Khắc Chung đem những chuyện mắt thấy tai nghe ở doanh trại quân Nguyên kể lại cho vua và thượng hoàng biết. Nhận thấy thế giặc còn mạnh, hai vua quyết định rút khỏi Thăng Long. Để có thời gian rút lui, vua Trần Nhân Tông phái hai sứ giả là Trần Thang và Nguyễn Nhuệ đến trại Thoát Hoan cầu hòa, nhưng tên tướng giặc này không cần hạch hỏi lôi thôi mà bắt giam cả hai vị sứ giả, hắn đòi phải đích thân vua Trần Nhân Tông sang trại nghị hòa.

Thượng hoàng Thánh Tông nhận tin hồi báo rầu rĩ ôm đầu. Từ lúc Thoát Hoan dẫn quân sang giày xéo bách tính Đại Việt, hai vua chưa một ngày được an giấc. Thế giặc mạnh như cuồng phong, chỉ trong 10 ngày đã san bằng tất cả cửa quan, chiến lũy, hàng vạn chiến sĩ đã ngã xuống ở Nội Bàng, Vạn Kiếp, cha mẹ mất con, vợ mất chồng, con cái mất cha, bá tánh lầm than, dân chúng cơ cực, sinh linh đồ thán. Giờ đây lũ giặc cướp nước đã đánh đến tận thành Thăng Long, thế nước nguy nan.

An Tư công chúa thấy huynh trưởng ngày đêm lao tâm khổ trí mà xót ruột bước đến hỏi:

- Thưa thượng hoàng, cớ sao chúng ta không thể rút lui ngay bây giờ?

Thánh Tông thở dài:

- Nếu bây giờ chúng ta ở lại Thăng Long thì quân Nguyên sẽ không phát động tấn công ngay, còn nếu chúng ta bỏ đi thì chắc chắn Thoát Hoan sẽ phái truy binh đuổi theo, đến lúc đó một trận quyết chiến là không thể tránh khỏi. Vì lẽ đó mà ta cần phải hòa hoãn với Thoát Hoan, có như vậy triều đình mới có đủ thời gian rút lui an toàn.

An Tư bàn:

- Nhưng nếu chúng ta ở lại kinh thành thì đang bị giặc bao vây cô lập, sớm muộn gì Thoát Hoan cũng sẽ cho quân tấn công vào đây, đến lúc đó ta sẽ không còn đường lui, sợ là tất cả mọi người lành ít dữ nhiều, chi bằng thần có cách này muốn hỏi ý huynh trưởng, không biết có được không?

Thượng hoàng đáp:

- Công chúa nói ta nghe thử xem.

Lúc này An Tư nghẹn ngào rơi nước mắt không thành lời, nàng cảm thấy như có cục bông chặn lấy cổ họng mình:

- Nước nhà lâm nguy, thần là công chúa thì không thể đứng nhìn, chi bằng hãy để cho thần đến doanh trại Thoát Hoan làm thiếp của hắn, để hắn tin là ta muốn cầu hòa, kéo dài thời gian cho triều đình rút khỏi Thăng Long được an toàn.

Thế nước nghiêng nguy, An Tư hy sinh bản thân mình, gạt đi nước mắt rồi theo đoàn tùy tùng đến chốn xa lạ hầu hạ tên giặc cướp nước. Kể từ đó không ai nhìn thấy nàng nữa, không rõ số phận của nàng khi đến doanh trại Thoát Hoan ra sao, Nguyên sử cũng không hề ghi chép gì về nàng.

Trong khi An Tư được đưa đến doanh trại Thoát Hoan thì triều đình nhà Trần tranh thủ triển khai rút lui. Nhân lúc đêm tối quân Trần chia làm hai đường thủy bộ, người ngậm tăm, ngựa bỏ nhạc, một lực lượng rút lui bằng đường bộ, Hưng Đạo vương hộ giá hai vua đi bằng đường thủy. Hai cánh quân gặp nhau tại phủ Thiên Trường (Nam Định).

Đến sáng hôm sau Thoát Hoan được tin báo Thăng Long chỉ còn là "vườn không nhà trống" y phát hiện mình đã bị lừa, tức tốc sai quân lính đóng bè, dựng cầu phao vượt sông, tiến vào Thăng Long lục soát, đốt phá và giết bất cứ ai bắt được trên đường. Nhớ năm xưa, Ngột Lương Hợp Thai không tìm bắt được vua Trần Thái Tông ngay từ sớm, vì thế chiến tranh kéo dài lâu ngày lương thực cạn dần, quân lính sinh bệnh, đại quân yếu đi, quân Đại Việt nhân đó phản công, lật ngược tình thế, thất bại thảm hại, bản thân Ngột Lương Hợp Thai suýt rơi đầu vì làm mất uy nghiêm "thiên triều". Không muốn đi vào vết xe đổ đó, Thoát Hoan hối thúc tướng sĩ chia ra đuổi theo quân Đại Việt bằng đường thủy lẫn đường bộ, quyết bắt cho bằng được vua Trần.

Đại tướng của Thoát Hoan là Khoan Triệt đụng độ quân của Trần Bình Trọng trấn giữ tại bãi Mạn Trò sông Thiên Mạc (Hưng Yên). Khoan Triệt là viên tướng giàu kinh nghiệm trận mạc, rất có uy danh trong hàng ngũ tướng soái Nguyên Mông, đã chinh chiến nhiều nơi từ Âu sang Á, oai phong lẫm liệt. Những trang bị hào nhoáng y mang trên người đều là chiến lợi phẩm cướp được ở chiến trường. Cái mũ viền lông cáo xám là y đã cướp được từ một viên tướng người Hồi Hột, thanh gươm lưỡi cong là y thu được từ một trận đánh với người Ba Tư, lá đồng phủ gối y đang đeo vốn là của quốc vương nước Áo. Nhìn thấy quân Thánh Dực Dũng Nghĩa với trang bị thô sơ đang đứng chặn trước mặt, Khoan Triệt ngạo nghễ cười khẩy xem thường. Thế nhưng đến khi giao chiến, hắn bị quân Trần hành hạ cho thất điên bát đảo, tên tướng giặc đã từng đánh Âu dẹp Á bị thương nặng suýt mất mạng. Hai bên chiến đấu ác liệt bảy ngày, đủ thời gian cho Nhân Tông và triều đình đến nơi trú ẩn an toàn.

Ghìm chân địch thành công, quân Thánh Dực Dũng Nghĩa định mở đường thoát thân thì có một cánh quân Nguyên cưỡi ngựa phi tới. Đó là đội quân chủ lực của giặc do Tả thừa Đại tướng Lý Hằng - phó soái của Thoát Hoan chỉ huy kéo đến tiếp ứng cho Khoan Triệt. Lý Hằng ỷ thế đông người, lệnh cho quân lính ồ ạt xông lên, Trần Bình Trọng và quân Thánh Dực Dũng Nghĩa không chịu khuất phục quyết chiến đến khi người cuối cùng ngả xuống. Lý Hằng ấn tượng với sự dũng mãnh của Trần Bình Trọng, hắn không giết chết ông mà bắt giữ đem nộp cho Thoát Hoan.

Thoát Hoan nhận thấy Trần Bình Trọng có khí chất ngời ngời, anh dũng hơn người, chắc chắn là một viên tướng giỏi nên muốn chiêu nạp. Hắn tự tay đến cởi trói cho Bình Trọng, lại sai người bày tiệc thiết đãi chu đáo, mon men dò hỏi việc nước, cố thuyết phục Bình Trọng để ông xiêu lòng. Nhưng Bình Trọng chẳng thèm ăn, khi Thoát Hoan hỏi chuyện lại chẳng thèm trả lời.

Thoát Hoan dụ dỗ:

- Tướng quân khí chất hơn người, bổn vương lại yêu mến người tài, chỉ cần bổn vương nói giúp một tiếng thì Thái Tổ hoàng đế (tức Hốt Tất Liệt) chắc chắn sẽ cất nhắc cho tướng quân ngay.

Trần Bình Trọng ngoảnh mặt chỗ khác tỏ ý khinh thường.

Thoát Hoan lại nói tiếp:

- Thiên triều ta dùng binh đao lấy thiên hạ, có câu "vó ngựa Mông Cổ đi đến đâu thì ở đó cỏ không mọc được", nước Đại Việt nhỏ bé như hạt tiêu, bổn vương thổi cái là bay, sớm muộn đại quân Nguyên Mông cũng biến nơi đây thành bình địa. Trung nguyên có câu: "kẻ thức thời mới là trang tuấn kiệt", tướng quân cũng phải biết "chim khôn chọn cành mà đậu".

- Nay bổn vương có ý muốn thu nạp tướng quân, chỉ cần tướng quân nói cho ta biết vua Trần đang trốn ở đâu, ta cam đoan công đầu trong chuyến chinh phạt Đại Việt là của tướng quân.

Trần Bình Trọng không thèm nói nửa lời. Thoát Hoan đem miếng mồi danh vọng ra dụ hàng tiếp:

- Nghe ta đi, hãy quy hàng ta, rồi ta sẽ cho ngươi làm vua đất Bắc. Làm vua đất Bắc đó, biết bao nhiêu người thèm muốn! Cha ta đã phong cho ta là vua đất Nam rồi thì ngươi làm vua đất Bắc, hai ta kết làm huynh đệ, tuyệt vời như vậy rồi, ngươi thấy sao?

Trần Bình Trọng quát:

- Ta thà làm quỷ nước Nam còn hơn làm vương đất Bắc. Ta đã bị bắt thì chỉ có chết mà thôi, việc gì phải hỏi lôi thôi!

Cảm thấy không thể thuyết phục được Trần Bình Trọng, tên tướng giặc sai người chém đầu ông.

Trong khi đại quân của Thoát Hoan vừa chiếm được Thăng Long thì cánh quân của Nạp Tốc Lạt Đinh kéo xuống từ phía Vân Nam cũng đã tiến sâu vào lãnh thổ Đại Việt. Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật là người phụ trách phòng thủ mặt trận phía tây, có nhiệm vụ ngăn chặn cánh quân của Nạp Tốc Lạt Đinh. Hai bên giao tranh kịch liệt ở Thu Vật (Yên Bái). Hay tin Thoát Hoan đã chiếm được Thăng Long thì Nhật Duật cũng lệnh cho quân lính bỏ phòng tuyến, rút lui về Thiên Trường bằng đường thủy.

Trên đường đi, quân lính của Nhật Duật bị một toán quân Nguyên truy kích, quân Nguyên phi ngựa dọc hai bờ đuổi theo nhưng không truy kích kịch liệt.

" - Nếu mà truy kích thì phải chạy nhanh, còn đây chúng lại chạy từ từ. Ắt hẳn có quân chặn phía trước". Nhật Duật nói rồi phái người đi do thám, quả nhiên đúng là như vậy. Chiêu Văn vương cho quân tấp thuyền vào bờ thoát theo đường núi, lúc này đám quân Nguyên phía sau gấp gáp đuổi theo thì đã muộn. Nhờ Nhật Duật nhanh trí mà toàn quân đã thoát khỏi hiểm nguy.

Vậy là hai cánh quân của Thoát Hoan và Nạp Tốc Lạt Đinh đã gặp nhau tại Thăng Long. Thoát Hoan nhận được tin báo quân Đại Việt đang đóng tại Thiên Trường, y ra lệnh cho 10 vạn quân đang đóng tại biển bắc Chiêm Thành do Toa Đô chỉ huy kéo ra Nghệ An để cùng phối hợp với đại quân Thoát Hoan từ phía bắc đánh xuống nhằm tạo thế gọng kìm bao vây quân Đại Việt.

Triều đình hay tin cử Chiêu Minh vương Trần Quang Khải dẫn quân ra Nghệ An chặn đánh Toa Đô. Vì nếu để cho hai cánh quân của Thoát Hoan và Toa Đô gặp được nhau thì quân Trần sẽ gặp nguy. Hai bên giao tranh dữ dội, nhưng thế giặc mạnh, liên tục thắng như chẻ tre. Trần Quang Khải không cản nổi nên đành lui quân. Tình thế ấy buộc thượng hoàng, vua và bá quan triều đình phải gấp gáp bàn định việc rút lui khỏi Thiên Trường.