Năm 1254, đế quốc Mông Cổ mới đánh chiếm xong nước Đại Lý, cử sứ giả sang Đại Việt xin mượn đường để đánh tiếp Nam Tống (Trung Quốc). Vua nhà Trần không đồng ý và hạ lệnh tống giam sứ giả Mông Cổ. Hoàng đế Mông Cổ biết tin, lập tức sai quân chuẩn bị chinh phạt Đại Việt.
Tháng 1/1258, quân Mông Cổ dồn quân sang Đại Lý và từ đó đánh chiếm Đại Việt. Vua Trần Thái Tông và Thái tử là Trần Hoảng xuất quân nghênh địch ở Bình Lệ Nguyên (Vĩnh Phúc), nhưng quân Mông Cổ sớm chiếm ưu thế và thắng luôn trận tiếp theo ở Phù Lỗ (Sóc Sơn, Hà Nội ngày nay).
Biết rằng nếu đối đầu với thế giặc mạnh là bất khả, vua Trần rút quân và cho dân sơ tán. Thành Thăng Long đặt trong thế “vườn không nhà trống” khiến quân Mông Cổ tuy chiếm được rơi nhưng dần rơi vào cảnh đói khủng khiếp.
Khi đợi thế giặc đã yếu và tinh thần bị suy giảm, vua Trần Thái Tông dẫn quân tấn công Đông Bộ Đầu (Hà Nội) và tiêu diệt một lượng lớn sinh lực địch. Quân Mông Cổ chạy, trên đường rút về bị tập kích tiêu diệt khá nhiều. Nhà sử học Ba Tư là Said ud Zin cho biết quân Mông Cổ có khoảng 3 vạn cùng 2 vạn quân Đại Lý, tổng là trên 5 vạn tấn công Đại Việt. Sau trận đánh, phía Mông Cổ ghi nhận chỉ còn lại 5.000 người.
Hơn 20 năm sau, Mông Cổ đánh bại nhà Tống, lập nên đế quốc Nguyên gồm lãnh thổ Mông Cổ và Trung Quốc ngày nay. Đến năm 1285, Hoàng đế nhà Nguyên Hốt Tất Liệt (cháu của Thành Cát Tư Hãn) ra lệnh tấn công Đại Việt lần hai với lý do mượn đường diệt Chiêm Thành nhưng bị từ chối.
Lần này, thế trận ban đầu cũng nhanh chóng nghiêng về phía Mông Cổ. Quân Đại Việt bị đánh bại ở Lạng Sơn, Sơn Động, Vạn Kiếp và sông Đuống. Chỉ trong 3 tuần kể từ khi kéo quân qua biên giới phía bắc, Mông Cổ đã chiếm được thành Thăng Long.
Quân Mông Cổ tiến công mạnh ở mọi mặt trận khiến nhà Trần buộc phải rút lui về Quảng Ninh. Tại đây, quân sĩ nhà Trần cùng dân quân địa phương thực hiện tiêu thổ kháng chiến khiến quân Mông Cổ lại dần rơi vào cảnh đói kém.
Sau hai tháng “ẩn mình chờ thời”, quân Đại Việt phản công ở cửa Hàm Tử (Hưng Yên), bến Chương Dương (Thường Tín, Hà Nội) và giải phóng thành Thăng Long. Quân Mông Cổ khi rút lui về phía bắc đã bị tập kích ở sông Cầu còn cánh quân phía Nam bị tấn công, tiêu diệt hoàn toàn ở Tây Kết (Hưng Yên).
Đại Việt Sử ký Toàn thư chép quân Nguyên đánh Đại Việt lần 2 có 50 vạn và khi rút về chỉ còn 5 vạn. Quân Nguyên mang sang lượng lớn hậu cần gồm rất nhiều dân phu nuôi quân. Tuy nhiên, một số học giả Việt Nam sau này cho rằng con số quân Nguyên Mông tràn sang Đại Việt là khoảng 30 vạn, và số chạy được về nước có thể nhiều hơn 5 vạn. Giả thuyết này phù hợp với thời gian quân Nguyên được lệnh chuẩn bị (chỉ 2 tháng sau đó) cho lần xâm lược thứ 3.
Cuộc chiến lần 3 diễn ra từ tháng 12/1287 đến tháng 4/1288. Quân Nguyên theo 3 cánh từ Vân Nam, Quảng Tây và Quảng Đông (đường biển) tràn vào Đại Việt với sự hỗ trợ của thuyền lương thực để đảm bảo “tự cung, tự cấp”, đối phó với chiến thuật tiêu thổ của quân Việt. Tuy nhiên, đoàn thuyền này bị tướng Đại Việt Trần Khánh Dư đánh đắm rất nhiều. Số còn lại gặp bão hoặc lạc trên biển.
Quân sĩ nhà Trần lần thứ 3 áp dụng chiến sách đánh kìm chân, rút phần lớn lực lượng về Đồ Sơn (Hải Phòng). Sau đó các cánh quân tấn công vào căn cứ Vạn Kiếp và đánh thủy quân Nguyên, đặc biệt là trận Vân Đồn ngắt hoàn toàn lương thực của quân Nguyên. Do nạn đói hoành hành, quân số tiêu hao, quân Nguyên bỏ thành Thăng Long, rút về Vạn Kiếp rồi tự kéo quân về nước. Trên đường rút, thủy quân bị tiêu diệt hoàn toàn ở trận Bạch Đằng, quân bộ cũng bị đánh liểng xiểng khi qua Bắc Giang, Lạng Sơn.
Đại Việt Sử ký Toàn thư ghi số quân lần ba là 50 vạn trong khi Khâm định Việt sử Thông giám Cương mục lại cho rằng như vậy là quá nhiều. Theo Việt Nam sử lược, số quân Nguyên đánh Đại Việt lần 3 vào khoảng 30 vạn, gần với con số trong An Nam chí lược cũng như nhận định của một số nhà sử học sau này. Theo một bài viết của nhà sử học Đặng Hùng, lần thứ ba quân Nguyên thiệt hại khoảng 30 vạn quân.
Tổng cộng ba lần, quân Mông Cổ mang sang từ khoảng 65 vạn đến 1 triệu quân (cộng theo các tài liệu khác nhau đã đề cập ở trên). Lần đầu ít nhất với số quân “thăm dò” 5 vạn người. Hốt Tất Liệt dường như chủ quan cho rằng chỉ cần 5 vạn quân là đủ thôn tính Đại Việt với 4 triệu dân, tuy nhiên tính toán của ông ta đã sai lầm.
Khi quân sĩ tăng lên gấp 10 lần số này trong lần thứ 2 và chuẩn bị lương thảo đầy đủ trong lần thứ 3, kết cục vẫn là sự thảm bại. Đa số lính Nguyên Mông bỏ mạng ở Đại Việt.
Nếu theo Đại Việt Sử ký Toàn thư và nhà sử học Đặng Hùng, cộng lại Nguyên Mông mất khoảng 80 vạn quân sau 3 lần cất quân đi đánh Đại Việt. Theo các sử liệu khác, Nguyên Mông cũng thiệt hại ước tính khoảng 40-50 vạn quân.