Đến cuộc chiến năm 1288, Trần Quốc Nghiễn cùng với cha và các tướng lĩnh nhà Trần tiếp tục lập được nhiều công lao. Theo tư liệu dân gian, ông có góp mặt trong trận đánh trên sông Bạch Đằng. Tháng 4 () năm Kỷ Sửu (1289), triều đình định công đánh giặc, tiến phong Hưng Đạo Vương làm Đại vương, Hưng Vũ vương làm Khai quốc công, Hưng Nhượng vương làm Tiết độ sứ.