Tháng 5 năm 1285 lợi dụng lúc quân giặc xuống sức vì thời tiết oi bức và thiếu lương thực, nhà Trần tổ chức tổng phản công. Hưng Đạo vương triệu tập tướng soái, bày binh bố trận, phân công nhiệm vụ cho các tướng sĩ.

Hưng Đạo vương phân tích tình hình:

" - Quân Nguyên có hai trại lớn, một của Thoát Hoan, đang đóng ở Thăng Long, hắn còn cho dựng các phòng tuyến dọc sông Hồng, kéo dài từ Thăng Long đến Thiên Trường để thăm dò động tĩnh quân ta. Cánh quân thứ hai do hai tên Toa Đô và Ô Mã Nhi cầm đầu, đang đóng quân tại phía bắc Thanh Hóa. Quân ta sẽ tiêu diệt cánh quân của Thoát Hoan đóng ở Thăng Long và các phòng tuyến của hắn ở dọc sông Hồng trước, nếu Thoát Hoan bại trận phải rút lui thì cánh quân của Ô Mã Nhi và Toa Đô cũng tự khắc thất bại.

Đầu tiên phải cắt đường liên lạc của bọn Toa Đô và Ô Mã Nhi với cánh quân của Thoát Hoan. Bí mật tấn công Thăng Long, bất ngờ đánh úp Thoát Hoan, đánh nhanh thắng nhanh không để cho Toa Đô và Ô Mã Nhi kịp chi viện cho Thoát Hoan. Do phòng tuyến của Thoát Hoan rải dọc sông Hồng nên chúng ta sẽ chia quân làm hai hướng tấn công vào các phòng tuyến này".

Quốc Tuấn bày binh bố trận cho các tướng lĩnh:

- Lộ thứ nhất tấn công hai cứ điểm quan trọng của giặc ở Khoái Châu là Hàm Tử quan và Tây Kết, sau đó chiếm lấy bến Chương Dương rồi tiến vào Thăng Long.

- Chiêu Thành vương, Nguyễn Khoái, Trần Quốc Toản nghe lệnh.

- Có.

- Lệnh cho các ngươi dẫn 5 vạn quân đánh chiếm Tây Kết.

- Rõ!

- Trần Nhật Duật, Triệu Trung nghe lệnh.

- Có.

- Lệnh hai ngài dẫn 1 vạn quân đánh chiếm Hàm Tử.

- Rõ!

- Chiêu Minh vương Trần Quang Khải.

- Có.

- Lệnh cho ngài thống lĩnh trọng binh đánh chiếm Chương Dương, sau đó tiến đến Thăng Long tiêu diệt hết bọn chúng.

- Rõ!

- Trần Quốc Tuấn nói tiếp:

- Hưng Ninh vương, Hưng Vũ vương, Hưng Hiến vương, Phạm Ngũ Lão nghe lệnh.

- Có.

- Các người cùng với bổn vương chỉ huy 100 chiến thuyền thủy quân tiến vào sông Hồng, tấn công các chốt tiền tiêu của giặc tại sông Hồng và sông Luộc, sau khi kiểm soát các phòng tuyến nhỏ lẻ dọc sông Hồng ở khu vực Thiên Trường thì tái chiếm Vạn Kiếp, đặt phục binh đợi Thoát Hoan ở đó.

- Rõ.

- Mọi người hãy chuẩn bị sẵn sàng, thời khắc tấn công mà tới lập tức có hiệu lệnh xuất phát.

- Tuân lệnh!

Chiến sự diễn ra theo đúng như dự liệu của Hưng Đạo vương, cánh quân do ngài chỉ huy đi bằng đường biển, xuất phát từ biển Trường Yên đi đến cửa biển Thiên Trường rồi tiến vào sông Hồng, bất thình lình xuất hiện tập kích vào các phòng tuyến của địch. Trận đầu tiên là ở phòng tuyến A Lỗ, vạn hộ Lưu Thế Anh và 1 vạn quân đang trấn giữ tại đây bị tập kích bất ngờ nhanh chóng thua chạy về Thăng Long hội quân với Thoát Hoan. Sau đó Trần Quốc Tuấn chia quân ra lần lượt hạ các đồn trại gần đó của giặc, Đại Việt lấy quân no đánh quân đói, lại tấn công bất ngờ nên chẳng mấy chốc giặc Nguyên thua chạy tan tác. Cánh quân phía đông nhanh chóng làm chủ được hai vùng Thiên Trường và Vạn Kiếp.

Còn ở mặt trận phía tây, Chiêu Thành vương (không rõ tên), tướng Nguyễn Khoái và Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản chỉ huy quân tấn công Tây Kết. Người dũng tướng thiếu niên tỏ ra vô cùng can đảm. Khi toàn quân xông trận thì chàng luôn xung phong dẫn đầu, khí thế dũng mãnh hừng hực, Quốc Toản đi đến đâu giặc tan đến đó. Tây Kết chẳng mấy chốc thất thủ.

Vì Trần Quốc Toản đã thể hiện vô cùng ấn tượng trong trận đánh ở Tây Kết nên chàng được Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật chọn làm phó tướng trong trận đánh chiến lược ở cửa Hàm Tử. Hàm Tử khi đó là một trong hai cứ điểm mạnh nhất của quân Nguyên do nhiều tướng lĩnh có cả bộ binh lẫn thủy binh, tất cả thuyền chiến của địch đều được tập trung ở đây.

Trần Nhật Duật ngả cờ im trống lặng lẽ tiến quân, bộ phận tiền quân do Triệu Trung dẫn đầu xuất phát trước. Lúc này triều đình cần dùng đến các chiến thuyền được giấu trong dân từ những ngày lui quân chiến lược. Lòng dân thật lớn lao như trời bể, không những không thiếu chiếc thuyền nào mà dân còn đóng thêm hàng trăm chiến thuyền xung cho triều đình. Tại các đền chùa, nhân dân hăng hái sửa soạn tòng quân, khí giới quân nhu được chuẩn bị kĩ lưỡng, khí thế đánh giặc vô cùng sôi sục.

Ban đầu khi Chiêu Văn vương nhận mệnh lệnh tấn công Hàm Tử thì quân chỉ vỏn vẹn 1 vạn, nhưng khi đến Hàm Tử thì đội quân của ngài đã lên đến 5 vạn người, gần 400 chiến thuyền lớn nhỏ. Chiêu Văn vương cảm kích lòng dân, vô cùng xúc động mà thốt lên:

- Bổn vương nhất định đại phá giặc ở khúc sông này, thề sống chết với chúng tại đây.

Nhật Duật vừa dứt lời, tiếng hô : "sát Thát" đồng thanh vang lên, vang dội cả một vùng rừng núi.

Trong các thuộc hạ của Trần Nhật Duật có một nhân vật xuất thân vô cùng đặc biệt là tướng Triệu Trung, vốn là Thái tử nước Tống sang nương nhờ Đại Việt, được Nhân Tông thu nhận và xếp vào hàng ngũ của Trần Nhật Duật. Trước khí thế "Sát Thát" ngút trời, Triệu Trung xung phong dẫn quân đi trước mở đường.

Đoàn quân người Tống của Triệu Trung căm thù giặc Nguyên Mông thấu xương, ào ạt xông vào tấn công như vũ bão. Quân Nguyên thấy cờ hiệu Tống thì thất kinh hồn vía, nghĩ rằng nước Tống đã phục quốc và liên minh với Đại Việt. Bấy giờ trong hàng ngũ Nguyên Mông có rất nhiều quân lính là người Tống, khi nhìn thấy Triệu Trung và cờ hiệu Tống xuất hiện thì bọn họ số tự nguyện buông vũ khí đầu hàng, số khác tấn công ngược lại binh lính Thát Đát.

Đại Việt càng thắng thế, dân binh khắp nơi ùn ùn kéo đến chi viện. Quân Nguyên khốn đốn kháng cự không được bao lâu thì hoàn toàn vỡ trận, cắm đầu cắm cổ chạy thoát thân về bến Chương Dương. Sau trận chiến này Đại Việt tiêu diệt và bắt sống ước chừng 3 vạn tên, thu gần 200 chiến thuyền, binh khí được chất cao như ngọn đồi. Chiến thắng Hàm Tử là dấu hiệu thất bại tất yếu của Thoát Hoan đang đóng ở Thăng Long.

Làm chủ được Hàm Tử quan, Chiêu Văn vương phái Trần Quốc Toản đi báo tin vui cho Thượng tướng. Tại đây Trần Quốc Toản được Thượng tướng giữ lại làm cận vệ, tiến đánh bến Chương Dương.

Quân Nguyên đã mất Tây Kết và Hàm Tử, chỉ cần phá được Chương Dương thì quân Trần có thể tiến một mạch đến Thăng Long. Chương Dương là cứ điểm quan trọng nhất của giặc, nó đóng vai trò là mắt xích quan trọng của tuyến phòng thủ phía nam sông Hồng và là lá chắn bảo vệ phía nam Thăng Long. Nếu để mất Chương Dương thì Thăng Long sẽ hoàn toàn bị cô lập. Thoát Hoan hay tin Chương Dương đang gặp nguy hiểm liền phái Sát Tháp Nhi Đài dẫn kỵ quân đến cứu nhưng trên đường lại bị trúng mai phục của Trần Quang Khải. Trong khi quân Nguyên đóng ở Chương Dương cũng nhanh chóng bị tiêu diệt. Quang Khải thừa thắng dẫn đại quân bao vây Thăng Long.

Quân Nguyên ở Thăng Long rút vào thành chống cự, Thoát Hoan ra trận hô hào chỉ huy binh sĩ chiến đấu. Một trận ác chiến xảy ra, quân sĩ hai bên đều tổn thất nặng nề. Quân triều đình gặp nhiều khó khăn vì quân Nguyên chống cự quyết liệt. Lúc này dân binh khắp nơi đổ về Thăng Long tiếp ứng rồi mọi thứ trở nên bất lợi với quân Nguyên. Nguyên sử chép: "Thủy lục đến đánh vào đại doanh, vây thành mấy vòng, quan quân sớm tối đánh khốn đốn, thiếu thốn lương thực, khí giới đều hết". Binh bại đã bày ra trước mắt không thể cứu vãn, Thoát Hoan cho quân đột phá vòng vây rút chạy về hướng Gia Lâm.

Hay tin Thăng Long đại thắng, thượng hoàng và vua Trần Nhân Tông đang ở Thanh Hóa dẫn quân đoạt lại Trường Yên. Các phòng tuyến còn lại của quân Nguyên đều bị tấn công, bọn giặc lớp chết, lớp hàng, số còn lại tìm đường chạy trốn chẳng còn tâm trí chiến đấu. Quân Đại Việt dễ dàng giành chiến thắng trên mọi chiến trường.