Cánh kỵ binh do Trình Bằng Phi chỉ huy đi theo sau hộ tống cho thủy quân của Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp bị quân dân nhà Trần phá cầu, xẻ đường không thể tiến lên được đành phải quay lại Vạn Kiếp đi chung với Thoát Hoan, bỏ mặc bọn Ô Mã Nhi. Chẳng còn cách nào khác, chúng vẫn phải hối hả xuôi theo sông Bạch Đằng để nhanh chóng ra biển, Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp không thể ngờ rằng Hưng Đạo vương đã lên kế hoạch tách Trình Bằng Phi ra và giăng sẵn thiên la địa võng ở lòng sông Bạch Đằng chờ chúng đến.

Tham vọng của Nguyên Thái Tổ là tạo ra đội thủy quân hùng mạnh thiện chiến để bành trướng đế quốc xuống phía nam. Trong lần tiến đánh Đại Việt kỳ này, y đã tốn hai năm gầy công xây dựng đội thủy quân ưng ý, bỏ ra rất nhiều công sức vốn liếng đầu tư vào đấy. Vì lẽ đó mà vua và các tướng nhà Trần khi bàn bạc kế hoạch tác chiến muốn cho tập trung toàn bộ các cánh quân chủ lực của Đại Việt đến sông Bạch Đằng quyết chiến một trận sống mái với địch, quyết dìm hết chiến thuyền của Ô Mã Nhi xuống lòng sông. Ta phải giáng cho giặc một đòn đau thật sự để chúng không còn ý định xâm lược Đại Việt nữa.

Vận dụng mưu kế của Ngô Quyền năm xưa, Hưng Đạo vương cho quân vào rừng tìm những cây to, chắc và cứng như lim, táu chuốt thành những cọc nhọn, cao đến gần 3 m, đường kính gần 30 cm để đóng xuống lòng sông Bạch Đằng. Lợi dụng mực thủy triều lên xuống của sông Bạch Đằng, những chiếc cọc được quân Đại Việt đóng xuống, khi thủy triều lên cao thì không thấy được bãi cọc còn khi thủy triều rút cạn bãi cọc chết người sẽ lộ ra làm vướng hoặc thậm chí là đâm thủng thuyền to của địch. Khi đó quân Đại Việt nhân cơ hội địch đang hoảng loạn mà xông ra truy sát, chúng bị tấn công bất ngờ không thể chống trả thì quân Trần tất thắng.

Hưng Đạo vương cho đóng cọc ở khúc sông gần ngã ba sông Chanh, một chi lưu của sông Bạch Đằng đổ ra biển, đó là khúc sông rộng và gần cửa sông nên chịu ảnh hưởng lớn của thủy triều. Không bao lâu, bãi cọc nguy hiểm đã hình thành. Hưng Đạo vương cho bố trí trận địa mai phục ở hai bờ sông và cho chuẩn bị nhiều chất đốt đưa lên những chiếc bè nhỏ, nhẹ giấu trong những luồng lạch gần đó để đánh hỏa công. Mọi việc được quân dân Đại Việt chuẩn bị một cách khẩn trương nhưng cẩn trọng chu đáo. Vấn đề lớn nhất là phải ép cho Ô Mã Nhi đi đúng con đường mà Hưng Đạo vương và các tướng đã vạch sẵn.

Trong lúc Hưng Đạo vương và thuộc hạ đang chuẩn bị trận địa đón giặc thì vua Trần Nhân Tông đích thân chỉ huy quân chặn đánh Ô Mã Nhi ở nhiều nhánh sông để dồn ép giặc phải đi vào con đường mà quân Đại Việt đã dày công bố trí mai phục. Sáng sớm ngày 8 tháng 3 âm lịch vào khoảng 5 giờ sáng, đoàn thuyền của Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp tiến đến gần cửa sông Bạch Đằng. Ngày hôm đó kỳ thủy triều lên cao nhất là khoảng từ nửa đêm cho đến sáng, thủy triều xuống thấp nhất là vào lúc giữa trưa. Đúng như dự định, khi thuyền giặc đến là lúc thủy triều lên cao, bãi cọc được nước che lấp, khung cảnh hai bên bờ thật tĩnh lặng nên giặc di chuyển chậm lại. Tướng nhà Trần là Nguyễn Khoái chỉ huy quân Thánh Dực Dũng Nghĩa xông ra khiêu chiến để kìm chân giặc. Đến gần trưa nước triều dần rút thì Nguyễn Khoái vờ thua dụ cho quân Nguyên đuổi theo. Cứ thế đoàn thuyền chiến của chúng dần dần tiến gần đến bãi cọc, trong lúc giặc đang hăng truy kích thì bất ngờ những bãi cọc từ dưới nước đồng loạt nhô lên, thuyền giặc lớp bị mắc kẹt, lớp bị đâm thủng chìm nghỉm, quân giặc rối loạn chưa kịp hoàn hồn thì một loạt trống lệnh vang lên, từng đoàn bè hỏa công của quân Đại Việt giấu ở những lạch sông gần đấy được thả trôi len lỏi vào giữa những chiếc thuyền giặc đang bị mắc kẹt. Lửa gặp gió thuận bốc cháy dữ dội, thủy quân Đại Việt phục sẵn ở hai bờ sông đổ ra phối hợp với quân của Nguyễn Khoái ào ào xông lên thuyền giặc. Một bên là lửa, một bên là quân Trần, xung quanh là sông không có đường chạy, đám lính Nguyên thất kinh hồn vía, giẫm đạp lên nhau nhảy xuống sông, chết đuối vô số. Tên giặc nào bơi được vào bờ thì lập tức bị bộ binh Đại Việt truy kích.

Thượng hoàng Thánh Tông và vua Nhân Tông cũng mang quân đến tiếp ứng, cho cung thủ bắn tên như mưa vào đội hình địch khiến chúng không còn biết trốn chạy vào đâu, cứ co cụm một chỗ cho quân Trần đến tiêu diệt. Trận chiến đến xế chiều thì kết thúc. Toàn bộ đoàn thuyền chiến Nguyên Mông bị tiêu diệt, hai tên tướng sừng sỏ của giặc là Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp bị bắt. Quân Đại Việt thu được 400 chiếc thuyền cùng những của cải mà quân giặc đã vơ vét cướp bóc định đem về nước.

Trong khi đó ở mặt trận phía tây trên bộ, Tịch Đô Nhi bị quân Đại Việt chặn đánh. Tên này không thông thạo địa hình nên quay về Vạn Kiếp đi chung với Thoát Hoan. Chúng về đến ải Nội Bàng thì bị quân Đại Việt phục kích, tùy tùng phải mở đường máu cho Thoát Hoan thoát thân, ngựa của hắn giẫm trên xác quân Nguyên mà chạy. Trình Bằng Phi phải chỉ huy 3000 quân đi chặn hậu bảo vệ cho đại quân rút lui. Nhưng suốt từ ải Nội Bàng đến biên giới, quân Đại Việt phối hợp với dân binh phục kích khắp nơi, quân Nguyên bị giết, bị bắt nhiều vô kể. Tướng A Bát Xích bị trúng ba mũi tên độc, bọn thuộc hạ của hắn khiêng hắn đi được một đoạn thì chết. Thoát Hoan thấy vậy mà sợ hãi, lần này không có sẵn ống đồng để chui như lần trước nên hắn bắt quân hộ vệ phải vây quanh mình, dùng khiên che kín khắp người mới thoát được. Về đến Tư Minh nhìn đám tàn quân tả tơi, Thoát Hoan chán nản cho giải tán tất cả.

Sau đại thắng quân xâm lược Nguyên Mông lần thứ ba, thượng hoàng Thánh Tông, vua Nhân Tông và triều đình về phủ Long Hưng - nơi đặt lăng mộ của Thái Tông Trần Cảnh để sửa sang lại phần mộ của ngài đã bị Ô Mã Nhi đào phá. Quay lại Thăng Long, nhà vua cho tu sửa lại những cung điện và ban lệnh đại xá thiên hạ. Ngoài ra, những người có công trong cuộc kháng chiến đều được ban thưởng xứng đáng, Vương Quốc công Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn được phong là Đại vương Thượng quốc công. Lần lượt, Trần Quang Khải được phong là Chiêu Minh Đại vương, Trần Nhật Duật được phong là Chiêu Văn Đại vương, Trần Khánh Dư được xóa tội và được vua ban giữ chức Đô Đốc Thủy quân, Đỗ Khắc Chung được vua ban họ Trần, Phạm Ngũ Lão được phong làm Chỉ huy Cấm quân, các thủ lĩnh người dân tộc đã từng đem dân binh ra hợp lực với triều đình đều được phong tước Hầu, các gia nô có công như Yết Kiêu, Dã Tượng đều được trọng thưởng và những người có thực lực thì sẽ được nhà vua cân nhắc trọng dụng nên sự nghiệp thăng tiến rất nhanh. Nhà vua còn cho biên soạn ra sách Trung Hưng thực lục để ghi chép lại tên và chiến công của các chiến sĩ. Lại cho dựng Gác Công Thần ở giữa kinh thành để lưu giữ sách Trung Hưng thực lục cho cả thiên hạ được thấy.

Hốt Tất Liệt ba lần nhận lấy thất bại nên hận Đại Việt đến mức điên cuồng. Hắn trục xuất Thoát Hoan mãi mãi không cho về Đại Đô và nung náu ý định xâm lược Đại Việt lần thứ tư.

Lưu Quốc Kiệt Bạt Đô là tên tướng người Tống hàng Nguyên đã lập được vô số chiến công vang dội được Hốt Tất Liệt tin dùng, ban cho tên "Bạt Đô", hắn nghe tin quân Nguyên vừa nhận hai thất bại nặng nề ở Trảo Oa (Java) và Đại Việt bèn viết thư dâng Hốt Tất Liệt: "Trảo Oa là vật ở đầu ngón tay, An Nam là vật nằm trong lòng bàn tay, thần xin vì bệ hạ mà chiếm lấy".

Hốt Tất Liệt đọc thư xong thấy thế liền ưng, phong cho Lưu Quốc Kiệt Bạt Đô làm Phiêu Kỵ Tướng quân thống lĩnh 5 vạn quân tiến đến Vân Nam, cùng với Trần Ích Tắc bàn bạc kế hoạch tiến quân xâm lược Đại Việt lần thứ tư.