Sau chiến thắng quân Nguyên Mông lần thứ hai, thượng Hoàng Thánh Tông và vua Nhân Tông thưởng công xứng đáng cho các binh tướng đã vào sinh ra tử bảo vệ đất nước. Trong đó Hưng Đạo vương Trần Hưng Đạo, Chiêu Minh vương Trần Quang Khải và Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật là những người có công đầu. Nhà vua cũng trị tội nghiêm khắc những kẻ tham sống sợ chết đầu hàng giặc, bán chúa cầu vinh. Đối với Chiêu Quốc vương Trần Ích Tắc đã đầu hàng và chạy sang nhà Nguyên thì vua Trần cho gọi hắn một cách giễu cợt là Ả Trần, còn Trần Kiện tuy đã bị Nguyễn Địa Lô bắn chết nhưng vẫn bị mỉa mai, gọi là Mai Kiện.

Nguyên Thái Tổ Hốt Tất Liệt thấy Thoát Hoan dẫn tàn quân lếch thếch về nước thì nổi trận lôi đình. Đường đường là "quân thiên triều" bách chiến bách thắng, từng san thành bình địa khắp từ Á sang Âu, đánh nam dẹp bắc, đạp cả thế giới dưới chân mà lại thất bại trước một vương quốc nhỏ bé? Thoát Hoan được Nguyên Chúa cấp hơn sáu mươi vạn đại quân xuất chiến, đáng lý đủ sức thôn tính mọi nơi mà chúng đi qua, nhưng lại trở thành đám tàn quân nhu nhược không còn chút sĩ khí! Thân là thái tử Đại Nguyên mà thất bại thảm hại, chui tọt vào ống đồng bắt quân sĩ khiêng về nước. Con trai thoát thân một cách hèn nhát như vậy, chuyện này đến tai Hãn Quốc khác và các nước chư hầu thì mặt mũi Hốt Tất Liệt để đâu!

Không thể chấp nhận sự sỉ nhục này, Hốt Tất Liệt ban lệnh tạm dừng kế hoạch xâm lược quần đảo Nhật Bản, dồn hết binh lực ưu tiên nam tiến lần ba, quyết tâm nghiền nát Đại Việt.

Năm 1286, Nguyên chúa tiếp tục để cho Thoát Hoan làm Thống soái, tước hiệu Trấn Nam vương, phong A Lý Hải Nha làm Phó soái, An Nam Tả Thừa tướng, Ô Mã Nhi làm Tham tri Chính sự và phái thêm nhiều tên tướng sừng sỏ khác như Ái Lỗ, Trình Bằng Phi, Phàn Tiếp, A Bát Xích đi theo hỗ trợ Thoát Hoan. Chuyến này Hốt Tất Liệt chuẩn bị quân lực rất kĩ lưỡng, đặc biệt là quân thủy. Thủy quân phải ngày đêm thao luyện, sắm sửa lương thực, khí giới, cho đóng thêm 300 chiến thuyền, lại tuyển cả bọn cướp biển vào lực lượng thủy quân để gia tăng sự thiện chiến. Kỳ nam chinh thứ ba này Hốt Tất Liệt muốn tiến quân sang Đại Việt bằng cả đường thủy và đường bộ, thế nên so với 10 vạn thủy quân của Toa Đô lần trước thì lần này thủy quân của nhà Nguyên tinh nhuệ hơn rất nhiều.

Để có cớ xâm lược Đại Việt, Hốt Tất Liệt gửi thư kể tội vua Trần không giúp đỡ nhà Nguyên trong cuộc chinh phạt Champa, giết Trần Di Ái và không nhận Đạt Lỗ Hoa Xích làm vua An Nam. Vì lẽ đó mà Nguyên triều phong cho Trần Ích Tắc làm An Nam Quốc vương và sẽ cất quân sang An Nam với danh nghĩa hộ tống Trần Ích Tắc về nước, để Trần Ích Tắc thế chỗ vua Nhân Tông làm vua xứ An Nam.

Binh lực đã chuẩn bị xong, điều khiến Hốt Tất Liệt đau đầu nhất là vấn đề lương thực. Hai lần xâm lược trước quân Nguyên bại trận đều do thiếu lương thực, vì vậy lần này hắn phải chuẩn bị thật nhiều lương thực để chiến đấu lâu dài với quân Đại Việt. Nhưng nếu mang theo lương thực với số lượng lớn đồng nghĩa với việc phải kêu gọi thêm nhiều phu khuân vác thì sẽ tốn thêm nhiều miệng ăn, đó là chưa kể đến việc vận chuyển lương thực với số lượng lớn sẽ rất chậm chạp và dễ bị tấn công bất ngờ. Vì vậy Hốt Tất Liệt quyết định vận chuyển lương thực đến Đại Việt bằng đường biển, chỉ cấp cho quân bộ một lượng lương thực ít ỏi đủ dùng, nếu hết lương thực thì quân bộ tự cướp bóc trên đường đi mà ăn.

Giữa năm 1286 tướng lĩnh cấp cao của địch là A Lý Hải Nha bệnh nặng mà chết khiến việc xâm lược Đại Việt bị đình trệ, thêm vào đó là những cuộc nổi dậy trong nước chống lại Hốt Tất Liệt xảy ra liên miên, quân đội phải phân tán lực lượng đi dẹp loạn nên mãi đến cuối năm 1287 quân Nguyên mới sang Đại Việt.

Giữa tháng 12 năm 1287 cướp biển Trương Văn Hổ có sở trường thủy chiến được phong chức Giao Chỉ hải thuyền Vạn hộ, dẫn đầu 70 thuyền áp tải lương thực từ châu Khâm, châu Liêm xuất phát theo đường biển xâm nhập Đại Việt qua cửa sông Bạch Đằng. Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp thống lĩnh quân thủy với 500 thuyền chiến đi trước bảo vệ cho thuyền lương. Cánh quân thủy xuất phát trước quân bộ khoảng nửa tháng.

Ở trên bộ, quân Nguyên do Thoát Hoan thống lĩnh xuất phát từ châu Tư Minh (Trung Quốc) tiến vào biên giới Đại Việt. Đến gần biên giới Đại Việt, y chia quân làm hai ngả đông - tây tấn công. Bột Đa Hợp Đáp Nhĩ và Trình Bằng Phi dẫn 1 vạn quân đi ngả phía tây, công phá ải Chi Lăng. A Bát Xích làm tướng tiên phong ở cánh phía đông, đi sau là Thoát Hoan và phó soái Áo Lỗ Xích dẫn quân rầm rộ tiến đến Vạn Kiếp. Trong đám quân Nguyên có thêm bọn triều đình bù nhìn Trần Ích Tắc.

Vùng Vân Nam (biên giới phía tây Đại Việt) tướng nhà Nguyên là Hữu thừa Ái Lỗ cũng được lệnh dẫn quân đến Đại Việt phối hợp với Thoát Hoan. Cánh quân này đi theo ngả sông Thao tiến vào Đại Việt.