Trần Thánh Tông
Thái thượng hoàng > Chiến tranh Nguyên Mông-Đại Việt (1288)

Bài chi tiết: Chiến tranh Nguyên Mông-Đại Việt lần 3
Cuối năm 1286, vua Nguyên huy động 30 vạn quân và 500 thuyền chiến xâm lược Đại Việt lần thứ ba. Ngay sau khi nhận tin này, hai vua Trần và Hưng Đạo vương đã đôn đốc vương hầu chiêu mộ, huấn luyện binh sĩ, đồng thời chế tạo binh khí và tàu thuyền để chuẩn bị kháng chiến. Tháng 12 năm 1287, quân thủy bộ Nhà Nguyên chia làm 3 đạo tiến vào Đại Việt. Quân Đại Việt chỉ đánh có tính kìm chân rồi chủ động lui khỏi biên giới. Thoát Hoan lại tung 2 vạn quân tấn công và chiếm Vạn Kiếp làm căn cứ, sau đó tiến về Thăng Long. Hưng Đạo vương giao cho Phó đô tướng quân Trần Khánh Dư trấn giữ đường biển. Khánh Dư không ngăn được thủy quân của Ô Mã Nhi đi qua; Thượng hoàng sai trung sứ bắt Khánh Dư về kinh. Nhưng Khánh Dư thuyết phục được trung sứ cho khất vài ngày để lập công chuộc tội.
Ngày 2 tháng 2 năm 1288, quân Nguyên mở màn đánh phá Thăng Long. Quân Đại Việt bỏ thành rút lui.. Cũng ngày này, thủy quân Việt do Trần Khánh Dư chỉ huy đã tập kích và tiêu diệt đoàn thuyền lương của Trương Văn Hổ tại Vân Đồn (Quảng Ninh). Thánh Tông tha tội trước của Khánh Dư và nhận định: "Chỗ trông cậy của quân Nguyên là lương thảo khí giới, nay đã bị ta bắt được, sợ nó chưa biết" và ông sai thả tù binh về trại, để họ đưa tin dữ cho Thoát Hoan. Các đoàn thuyền lương khác của quân Nguyên cũng không vào được Đại Việt vì bị bão biển, hoặc vì đi lạc tới Chiêm Thành. Sau khi Thăng Long thất thủ, Thoát Hoan lệnh cho Ô Mã Nhi truy đuổi Thánh Tông và Nhân Tông. Nhưng hai vua đã lui xuống hạ lưu sông Hồng rồi theo cửa Giao Thủy đi ra biển vòng lên Tháp Sơn (Đồ Sơn). Ô Mã Nhi lui quân về Thăng Long. Không tin rằng đoàn thuyền lương của Văn Hổ đã bị tiêu diệt, Thoát Hoan sai Ô Mã Nhi dẫn thủy quân đi tìm Văn Hổ. Lúc này hai vua và Hưng Đạo vương đã tập trung quân thủy bộ ở Tháp Sơn. Khi quân Ô Mã Nhi qua đây, quân Đại Việt tổ chức tập kích ở cửa Văn Úc (ngày 10 tháng 2 năm 1288), và trên biển gần Tháp Sơn, gây nhiều tổn thất cho quân Nguyên. Ô Mã Nhi bèn dẫn quân trở lại Vạn Kiếp.
Ở Thăng Long mà không có lương thực, Thoát Hoan lúng túng. Không những thế, quân Đại Việt đã phản công mạnh mẽ và kiểm soát vùng Hải Dương và Hải Phòng đẩy Thoát Hoan vào nguy cơ bị cắt đường về Vạn Kiếp. Tình huống này buộc Thoát Hoan rút quân khỏi Thăng Long quay về Vạn Kiếp. Hai vua Trần ban đầu sai Hưng Ninh vương đến giả vờ hẹn ngày đầu hàng để địch mất cảnh giác, sau đó mở các cuộc đột kích đêm vào Vạn Kiếp. Cuối tháng 3 năm 1288, Thoát Hoan quyết định lui quân khỏi Đại Việt; Ô Mã Nhi được lệnh dẫn một cánh quân thủy rút về trước. Ngày 9 tháng 4, cánh quân này tiến đến sông Bạch Đằng và lọt vào trận địa mai phục của đại quân Đại Việt. Dưới sự chỉ huy trực tiếp của Thánh Tông, Nhân Tông và Hưng Đạo vương, quân Đại Việt đã tiêu diệt toàn bộ cánh quân thủy của địch. Nội Minh tự Đỗ Hành bắt các tướng Ô Mã Nhi và Tích Lệ Cơ nộp cho Thánh Tông. Đại Việt Sử ký Toàn thư mô tả Thượng hoàng đã sai người đưa hai tướng Nguyên lên thuyền ngự, rồi "cùng ngồi nói chuyện với chúng và uống rượu vui vẻ".
Một ngày trước trận Bạch Đằng, đại quân Nguyên của Thoát Hoan bắt đầu rút từ Vạn Kiếp lên biên giới. Hữu thừa Nguyên là Trình Bằng Phi chọn những binh sĩ thiện chiến yểm hộ cho Thoát Hoan chạy về nước. Quân Nguyên về tới ải Nội Bàng (thị trấn Chũ và xã Bình Nội của Bắc Giang ngày nay) thì bị quân Đại Việt phục kích dữ dội, vạn hộ Nguyên là Trương Quân phải đem 3000 quân liều chết chiến đấu mới thoát khỏi cửa ải. Qua được Nội Bàng, Thoát Hoan lại nhận tin trinh sát rằng phía trước có 30 vạn quân Đại Việt trải dọc suốt 100 dặm mai phục, đành đổi hướng đi qua Đơn Kỷ (khoảng huyện Đình Lập tỉnh Lạng Sơn ngày nay) về Lộc Châu. Tuy nhiên qua đường này, quân Nguyên vẫn bị quân Đại Việt tập kích. Quân Đại Việt từ trên cao bắn tên độc, giết các tướng Trương Ngọc và Abaci. Theo Nguyên sử, quân Nguyên lúc đó đã "thiếu ăn lại mệt vì chiến đấu, tướng tá nhìn nhau thất sắc" nhưng vẫn phải "cố xông vào mà đánh" và "buộc vết thương lại mà đánh". Đến ngày 19 tháng 4 năm 1288, quân Nguyên đã bị quét sạch hoàn toàn khỏi Đại Việt. Trước khi mất năm 1300, Hưng Đạo Đại vương Trần Quốc Tuấn khi được Hoàng đế Trần Anh Tông thăm hỏi, ông đã hồi tưởng lại tinh thần "vua tôi đồng tâm, anh em hòa mục, cả nước góp sức" của thời đại Trần Thánh Tông, Trần Nhân Tông khiến Đại Việt chống chọi được sự bao vây bốn mặt của Toa Đô, Ô Mã Nhi và "giặc phải bị bắt".