Tin chiến bại của Quang Khải khiến bá quan triều đình như ngồi trên đống lửa, nếu không cản được một trong hai cánh quân của Thoát Hoan hoặc Toa Đô thì sớm muộn phủ Thiên Trường cũng bị giặc bao vây. Tình thế này buộc triều đình phải rút khỏi Thiên Trường để thoát khỏi gọng kìm quân Nguyên. Cái khó là vừa phải đảm bảo an toàn cho hai vua và triều đình, vừa đưa được đại quân đến nơi an toàn nhưng lại phải hết sức bí mật để giặc không phát hiện.

Bàn đi tính lại thì cuối cùng nhà vua đồng ý thực hiện theo kế hoạch rút lui đầy táo bạo của Hưng Đạo vương. Đó là đoàn thuyền xuất phát từ Thiên Trường đi theo cửa Ba Lạt (Nam Định) ra biển, rồi đi ngược lên phía bắc, len lỏi qua những vùng nước đầy đá ngầm đến cửa biển Quảng Yên (Quảng Ninh). Sau đó chia làm hai hướng, một cánh quân lên bộ, đến căn cứ Đông Bắc của Hưng Đạo vương ở vùng rừng núi Đông Triều - Yên Tử trú ẩn. Cánh quân này trú ẩn tại đây đợi lệnh hành động của Quốc Tuấn. Sở dĩ cho đóng quân tại đây vì nơi này có vị trí chiến lược, có thể dễ dàng phối hợp với các cánh quân khác bất ngờ đánh vào Thăng Long và các cứ điểm quan trọng của giặc ở gần đó.

Cánh quân thủy làm nghi binh tiếp tục hộ tống thuyền ngự của hai vua, đoàn thuyền treo đầy đủ cờ xí, nghi trượng đi ngược lên Trà Cổ (vùng biển gần biên giới Trung Quốc) để đánh lạc hướng quân địch. Trong khi đó Trần Hưng Đạo dẫn đầu đội quân bảo vệ hai vua dùng thuyền nhỏ men theo vùng biển Đồ Sơn để quay lại cửa Ba Lạt, đi ngược về Thanh Hóa.

"Con không vì cha mà lấy thiên hạ thì cha chết dưới suối vàng cũng không nhắm mắt được". Trên đường hộ tống hai vua, Hưng Đạo vương cầm trên tay một chiếc gậy chống, đầu bịt sắt. Những người khác nhìn chằm chằm lo sợ Hưng Đạo vương nhớ đến di nguyện của Trần Liễu thừa cơ giết vua.

Vương hiểu ý liền tháo mũi sắt vứt đi, chỉ cầm gậy không, vì vậy không còn ai nghi ngờ lòng trung thành của Vương nữa. Hưng Đạo vương được người đời tôn kính, gọi là Đức Thánh Trần không chỉ bởi tài năng mà còn vì nhân phẩm của ngài.

Về phía Thoát Hoan và Toa Đô, bọn chúng hội quân ở Trường Yên (Ninh Bình) rồi tìm đến phủ Thiên Trường, nhưng lúc này quân Trần đã biến mất không còn tăm hơi. Tuy Thoát Hoan đã cho quân lùng sục khắp nơi nhưng không thấy bóng dáng quân Đại Việt, y đành lui quân về thành Thăng Long cho lập một loạt phòng tuyến dọc bờ sông Hồng để quan sát động tĩnh quân Trần. Phòng tuyến của quân Nguyên có quy mô rất lớn, được đặt rải từ Thăng Long đến phủ Thiên Trường và ra tận biển. Cứ cách 30 dặm đặt một trạm quân, mỗi trạm có 300 lính. Để tiện liên lạc với nhau, Thoát Hoan còn đặt các trạm ngựa cánh nhau 60 dặm.

Giữa lúc triều đình và dân chúng đang căng mình đánh giặc thì lại có những kẻ đầu hàng vì mưu cầu lợi riêng. Hoàng thúc Đại Việt là Chiêu Quốc vương Trần Ích Tắc nhân dịp này lộ rõ tham vọng bá vương của hắn. Năm xưa khi Thánh Tông còn tại vị, hắn từng âm thầm sai người đưa thư cho Hốt Tất Liệt, đề nghị Hốt Tất Liệt cử đại quân sang giúp hắn đoạt ngôi vua, toan tính trong ứng ngoại hợp. Nhưng khi đó Hốt Tất Liệt đang bận giao tranh với người Tống nên không phái quân đi đánh Đại Việt được, Ích Tắc đành phải kiên nhẫn chờ đợi cơ hội khác. Nay hắn cùng với Trần Kiện và Lê Trắc dẫn theo một vạn quân dưới trướng đến hàng Toa Đô. Trần Kiện còn dấn sâu vào tội lỗi tình nguyện dẫn đường cho Toa Đô vào Thanh Hóa đánh Quang Khải, khiến quân Trần Quan Khải thiệt hại nặng nề. Sau việc này, cả hai được Toa Đô ưu ái. Toa Đô viết thư bẩm báo việc này cho Hốt Tất Liệt, Ích Tắc được giữ ở lại quân doanh, chờ khi thâu tóm được Đại Việt sẽ lên ngôi vua. Còn Trần Kiện được Toa Đô phái quân hộ tống đến Đại Đô. Bọn chúng chưa kịp ra khỏi lãnh thổ Đại Việt thì đã bị đội dân binh người Tày ở trại Ma Lục (Lạng Sơn) do Nguyễn Thế Lộc và Nguyễn Lĩnh chỉ huy cùng phối hợp với quân triều đình chặn đánh. "Thần tiễn" Nguyễn Địa Lô bắn chết Trần Kiện, Lê Trắc mang theo xác chủ bỏ chạy rồi vùi sơ sài dưới một chân đèo, thế là xong đời tên phản quốc.

Ít lâu sau Thoát Hoan nhận được tin báo vua Trần Nhân Tông đang trú ẩn ở Thanh Hóa, y phái Ô Mã Nhi mang theo 60 chiến thuyền vào Thanh Hóa hỗ trợ Toa Đô bắt nhà vua. Tuy nhiên Ô Mã Nhi và Toa Đô lại một lần nữa thất bại trong việc truy bắt vua Trần, bấy giờ quân Nguyên đã bắt đầu cảm thấy mệt mỏi.

Còn về phía Đại Việt, dân binh địa phương tự trang bị vũ trang có khi đánh lẻ, có khi kết hợp với quân triều đình đánh du kích làm tiêu hao sinh lực địch. Quân Nguyên ở trên bộ thì bị tập kích bằng tên nỏ, ở dưới nước thì bị đục thuyền chìm nghỉm khiến bọn chúng lúc nào cũng nơm nớp lo sợ.

Bấy giờ đã vào mùa hè, thời tiết bắt đầu trở nên oi bức, mưa rào, vì quân Nguyên là người xứ lạnh nên không hợp với thời tiết nhiệt đới của Đại Việt, khiến nhiều tên lăn ra bệnh. Hơn nữa quân Nguyên còn đang rơi vào tình cảnh thiếu lương thực trầm trọng, số lương thực bọn chúng mang theo đã cạn, mà lại chẳng cướp bóc được nhiều ở Đại Việt, đúng như những điều mà Trần Quốc Tuấn tiên đoán từ trước lúc quân giặc đặt chân lên đất Đại Việt, quân Nguyên đang bắt đầu khốn đốn và rối loạn

Nhận thấy thời cơ phản công đã chín muồi, thượng hoàng Thánh Tông, vua Nhân Tông, Hưng Đạo vương và các tướng soái họp bàn với nhau, gấp rút đưa ra phương án tác chiến.