- Tháng 1/1288, Thoát Hoan tiến vào Thăng Long, nhân dân thực hiện “vườn không, nhà trống” => Quân giặc ra sức càn quét, cướp lương thực nhưng đều bị nhân dân đuổi đánh, đẩy chúng vào thế bị động, cạn kiệt lương thực.

- Trước tình thế nguy khốn, Thoát Hoan quyết định rút quân lên Vạn Kiếp và từ đây rút về nước theo hai đường thủy, bộ.

- Ta quyết định phản công, chọn sông Bạch Đằng làm trận quyết chiến và tiến hành việc bố trí trận mai phục ở sông Bạch Đằng.

- Đầu tháng 4 - 1288, đoàn thuyền của Ô Mã Nhi rút về theo đường thuỷ trên sông Bạch Đằng. Gặp trận địa mai phục của nhà Trần tại đây. Toàn bộ cánh thuỷ binh giặc bị tiêu diệt, Ô Mã Nhi bị bắt sống.

- Cánh quân bộ, do Thoát Hoan chỉ huy, từ Vạn Kiếp theo hướng Lạng Sơn rút chạy về Quảng Tây (Trung Quốc). Trên đường tháo lui, chúng bị quân dân ta tập kích liên tiếp.

Kết quả: Cuộc kháng chiến lần thứ ba chống quân Nguyên đã kết thúc thắng lợi vẻ vang.

Đây là chiến thắng vẻ vang của quân Đại Việt do Quốc công Tiết chế Trần Hưng Đạo cùng với Thái thượng hoàng Trần Thánh Tông và vua Trần Nhân Tông chỉ huy trước quân xâm lược Nguyên Mông. Quân Nguyên bị thiệt hại vô cùng nặng (với khoảng hơn 4 vạn quân sĩ bị loại khỏi vòng chiến^[1]), và nhiều tướng Nguyên trong đó có cả Ô Mã Nhi, Phạm Nhàn và Phàn Tiếp cũng bị bắt sống và dâng lên Thượng hoàng Thánh Tông. Ngoài ra, có những 400 chiến thuyền của quân Nguyên rơi vào tay quân Trần.^[3] Đại thắng trên sông Bạch Đằng được xem là trận thủy chiến lớn nhất trong lịch sử Việt Nam, và là thắng lợi tiêu biểu nhất của Đại Việt trong ba cuộc kháng chiến chống quân xâm lược Nguyên-Mông.^[4]

Đại thắng này là một chiến quả của kế cắm cọc trên sông Bạch Đằng của Hưng Đạo Vương, mở đầu với việc quân sĩ của ông lừa được địch vào trận địa cọc nhân triều rút. Quân Nguyên vấp phải sự chiến đấu mãnh liệt của quân Thánh Dực dưới quyền Nguyễn Khoái (Bình chương Áo Lỗ Xích của Nguyên Mông bị bắt trong trận này), tiếp theo đó các vua Trần đem binh tới ác chiến, đập tan nát quân Nguyên. Tiếp theo đó, quân Trần mai phục hai bên cũng dũng vũ xông ra, tiếp tục diệt tan quân địch. Khi nước triều rút, quân Nguyên hoàn toàn lâm vào thảm họa.^[1][3] Với sự hoàn tất sứ mệnh phá hủy đoàn binh thuyền của Ô Mã Nhi, toàn thắng này dẫn đến thắng lợi hoàn toàn của Đại Việt trong cuộc Chiến tranh Nguyên Mông–Đại Việt lần 3 và hoàn toàn phá tan âm mưu xâm chiếm Đại Việt của nhà Nguyên.^[1] Chiến tích vẻ vang này của Trần Hưng Đạo cùng với hai vị minh quân triều Trần đã lưu danh trong lịch sử Việt Nam, và là đề tài cho nhiều tác phẩm văn học Việt Nam thời Trung đại, dưới ngòi bút của các danh sĩ Trương Hán Siêu, Nguyễn Trãi,...^[5]

Trương Hán Siêu đã thuật lại diễn biến cuộc chiến này trong bài Phú sông Bạch Đằng như sau: "Thuyền bè muôn đội, tinh kỳ phấp phới/Hùng hổ sáu quân, giáo gươm sáng chói/[...]/Trận đánh được thua chửa phân/Chiến lũy bắc nam chống đối/[...]/Tất Liệt thế cường, Lưu Cung chước dối/Những tưởng gieo roi một lần/Quét sạch Nam bang bốn cõi/[...]/Trời cũng chiều người/Hung đồ hết lối!"