Năm 1288, quân Nguyên trở lại xâm lược Đại Việt lần thứ ba. Khi tiếp tục được phong Quốc công tiết chế; Hưng Đạo vương khẳng định với vua Trần Nhân Tông: "Năm nay đánh giặc nhàn". Ông đã áp dụng thành công chiến thuật của Ngô Quyền, đánh bại hoàn toàn thủy quân nhà Nguyên do các tướng Phàn Tiếp và Ô Mã Nhi chỉ huy trong trận thủy chiến trên sông Bạch Đằng, buộc quân Nguyên lại phải rút về nước và vĩnh viễn từ bỏ tham vọng thôn tính phương Nam của họ. Tháng 4 âm lịch năm 1289, Trần Nhân Tông chính thức gia phong ông làm "Đại vương" dù chức quyền đứng đầu triều đình khi đó vẫn thuộc về Thượng tướng Thái sư Chiêu Minh Đại vương Trần Quang Khải.