Giặc thua liểng xiểng cắm đầu cắm cổ bỏ chạy. Đoạn đường từ Vạn Kiếp về đến biên giới thật sự rất gian truân đối với quân Nguyên. Có lẽ ngày hôm đó chính là ngày kinh hoàng nhất trong cuộc đời chinh chiến của bọn chúng.

Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn đích thân dẫn quân đuổi theo phía sau Thoát Hoan. Quốc công Tiết chế đã sớm phái Phạm Ngũ Lão đem 3 vạn quân mai phục sẵn trong đám lau sậy rậm rạp ở ven sông gần Vạn Kiếp chờ bọn chúng chạy đến mà xông ra giết. Quả nhiên Thoát Hoan và đám tàn binh của hắn thấy có quân Trần đuổi theo phía sau thì hối hả chạy về hướng có Phạm Ngũ Lão đang chờ sẵn. Giặc rơi vào mai phục, quân Đại Việt xông ra đánh, thế mạnh như chẻ tre, Hưng Đạo vương và Phạm Ngũ Lão hai mặt giáp công, quân Nguyên bị ép xuống sông chết đuối nhiều vô kể. Tiếc rằng lại để cho bọn Thoát Hoan và A Lý Hải Nha thoát được.

Thoát Hoan rút kinh nghiệm bị quân Đại Việt nhiều lần tập kích bất ngờ nên sai Lý Hằng đi chặn hậu. Chạy đến trại Vĩnh Bình, Hưng Vũ vương Trần Quốc Nghiễn đã cho quân mai phục ở đây từ trước, làn tên độc bắn ra như mưa khiến quân Nguyên lại bị tổn thất nặng nề. Xui xẻo một mũi tên độc từ đâu bay đến cắm phập vào chân Lý Hằng khiến hắn ngã lăn xuống ngựa, được bọn lính cõng chạy một đoạn thì chết. Thoát Hoan thấy vậy vô cùng kinh hãi, đang lúc hiểm nguy vô tình tìm được một ống đồng, hắn không thiết đếm xỉa đến thể diện, "Thái tử thiên triều" chui tọt vào ống đồng bắt quân lính khiêng chạy.

Giặc cứ nghĩ chạy về đến Tư Minh (Trung Quốc) là được an toàn. Nhưng hai thế tử của Hưng Đạo vương là Hưng Hiến vương Trần Quốc Uy và Hưng Vũ vương Trần Quốc Nghiễn thừa thắng dẫn đại quân tràn sang biên giới truy đuổi nhằm tiêu diệt triệt để đạo quân xâm lược. Quân Nguyên Mông tan tác chết như rạ, tướng giặc là Lý Quán trúng tên bỏ mạng. Hưng Vũ vương và Hưng Hiến vương đuổi theo Thoát Hoan vào sâu trong đất Nguyên Mông mới thu quân về.

Nạp Tốc Lạp Đinh đóng quân ở phía tây Thăng Long nghe tin Thoát Hoan thất thủ thì cũng nhanh chóng rút lui. Lo sợ nếu đi chung đường với Thoát Hoan sẽ bị quân Trần chặn đánh nên chúng chọn rút lui bằng con đường cũ khi chúng sang Đại Việt, tức là đi theo hướng tây bắc về Vân Nam (Trung Quốc). Trên đường đi đám quân của Nạp Tốc Lạt Đinh vẫn bị tù trưởng Hà Đặc đón đánh, trong lúc truy kích Hà Đặc trúng mai phục mà hy sinh. Em của Hà Đặc là Hà Chương lên thay, tiếp tục truy sát giặc đến tận biên giới.

Bấy giờ các cứ điểm quan trọng như Thăng Long, Vạn Kiếp, Thiên Trường, Trường Yên đều đã thuộc về quân Trần. Giặc Nguyên Mông gần như bị quét sạch khỏi lãnh thổ Đại Việt, chỉ còn sót lại đám quân của Toa Đô và Ô Mã Nhi đang đóng ở Thanh Hóa. Cuối tháng 6/1285, Toa Đô và Ô Mã Nhi không hề hay biết Thoát Hoan đã cao chạy xa bay, chúng từ Thanh Hóa quay về Thăng Long để hội quân với Thoát Hoan. Tin này giúp cho thượng hoàng và nhà vua như mở cờ trong bụng. Họ đang ngại phải hành quân đường xa, hơn nữa nếu tấn công trực diện vào doanh trại của giặc sẽ khiến quân tướng có nhiều thương vong, thế mà nay bọn chúng lại tự tìm đến. Quân Nguyên từ Thanh Hóa muốn đến Thăng Long ắt hẳn phải đi qua cửa Hàm Tử, vua tôi nhà Trần thừa cơ hội này đã giăng sẵn một mẻ lưới để tóm gọn bọn chúng.

Thủy quân Nguyên Mông vừa tiến vào Hàm Tử thì bị quân Đại Việt vây chặt. Đại chiến ở Hàm Tử quan kéo dài ba ngày, quân Nguyên chống trả phá vòng vây trong vô vọng, quân dân Đại Việt từ nhiều hướng kéo đến tiếp ứng, khí thế hừng hừng, hết tốp này đến tốp khác xông vào chiến đấu vô cùng quyết liệt. Sức mạnh áp đảo của Đại Việt khiến quân Nguyên hoàn toàn tan rã, Toa Đô bị tướng Vũ Hải chém chết tại trận, các tên tướng sừng sỏ khác như Tổng quản Trương Hiển bị bắt, Tiểu Lý tự sát. Quân Nguyên thảm thương tang tóc, toàn bộ 10 vạn thủy quân của Toa Đô chỉ hai tên thoát được là Ô Mã Nhi và Lưu Khuê. Hai tên này nhân lúc không có ai chú ý thì nấp vào một chiếc thuyền nhỏ, đợi đến lúc trời tối cố thoát khỏi vòng vây, ra được một nhánh sông nhỏ vượt biển trốn về nước.

Cuộc kháng chiến chống Nguyên Mông kéo dài 6 tháng kết thúc thắng lợi, vua và triều đình về lại Thăng Long trong niềm hân hoan chào đón của bá tánh.