Trong cuộc chiến lần thứ hai, nhà Trần đã có một số tông thất và tướng sĩ đi theo nhà Nguyên.

Người đầu tiên là Trần Di Ái, em vua Trần Thái Tông, chú vua Trần Thánh Tông. Di Ái được cử đi sứ nhà Nguyên, được Hốt Tất Liệt phong luôn làm An Nam quốc vương để có cớ đưa "vua mới" về nước. Di Ái bị quân Trần đón đánh ở đầu địa giới phải bỏ chạy.

Người thứ hai là Trần Ích Tắc, con thứ của Trần Thái Tông, em của Trần Thánh Tông. Ích Tắc có tài, vẫn còn có ý tranh đoạt ngôi trưởng đích. Trước khi quân Nguyên kéo sang, Ích Tắc đã từng gửi thư riêng cho khách buôn ở Vân Đồn xin quân Nguyên xuống nam. Khi quân Nguyên Mông tiến sang, ngày 15 tháng 3 năm 1285, Ích Tắc đem cả gia đình theo hàng, với hy vọng được lập làm vua.

Quân Nguyên thất bại chạy về nước, Ích Tắc được đưa về Trung Quốc và được Hốt Tất Liệt, phong làm An Nam Quốc vương và chờ ngày đưa trở về nước. Hai năm sau (1287), Ích Tắc theo Thoát Hoan sang Đại Việt lần thứ ba.

Thứ ba là Trần Kiện. Trần Kiện là con thứ của Trần Quốc Khang, phục vụ dưới quyền Trần Ích Tắc cùng theo Ích Tắc hàng Toa Đô. Toa Đô sai đưa bọn Kiệt về Yên Kinh thì bị thổ hào người Tày ở châu Ma Lục (Lạng Sơn) là Nguyễn Thế Lộc và Nguyễn Lĩnh chặn đánh. Trần Kiệt bị gia nô của Hưng Đạo Vương là Nguyễn Địa Lô bắn chết, Trần Ích Tắc đem xác Kiệt để lên mình ngựa trốn đi đêm, đến Khâu Ôn chôn tại đấy [70] Một tướng khác là Lê Tắc cũng hàng quân Nguyên, trong cảnh quân Nguyên hỗn loạn bỏ chạy, Lê Tắc đã chỉ đường giúp nhiều tướng sĩ nhà Nguyên chạy thoát về bên kia biên giới.[71]

Một số tông thất dưới quyền Trần Ích Tắc theo sang Trung Quốc còn có Trần Văn Lộng và Trần Tú Viên.