• Theo Tập sử biên niên của Rasìd ud-Dìn: Quân đội của Ngột Lương Hợp Thai gồm kỵ binh Mông Cổ và 20.000 quân sĩ người Di (thuộc nước Đại Lý vừa bị Mông Cổ chinh phục). Không có số liệu chính xác về số kỵ binh Mông Cổ, nhưng theo Rasìd ud-Dìn (Tập sử biên niên) cho biết rằng ban đầu Ngột Lương Hợp Thai đã đem 3 vạn quân xuống đánh Đại Lý (Vân Nam), sau đó đánh tiếp sang Đại Việt, khi tiến lên châu Ngạc gặp Hốt Tất Liệt thì quân số còn lại không quá 5.000. Như vậy, trừ đi số tổn thất khi đánh Đại Lý, thì số kỵ binh Mông Cổ khi tiến đánh Đại Việt sẽ dao động trong khoảng 20.000 tới 25.000 là hợp lý. Cộng thêm quân người Di thì tổng số quân của Mông Cổ có khoảng 40.000 - 45.000. Tiên phong là tướng Aju và Cacakdu (Triệu Triệt Đô hay Triệt Triệt Đô). Ngoài ra, trong quân đội Mông Cổ còn có phò mã của Mông Cổ là Quaidu (Hoài Đô). Đi tiên phong là Đoàn Hưng Trí – vua Đại Lý đã đầu hàng.[6]
• Theo sách Nghệ thuật đánh giặc giữ nước của dân tộc Việt Nam thì quân Mông Cổ có khoảng 2 đến 3 vạn, cộng với 2 vạn quân Đại Lý được Mông Cổ trưng dụng, tổng số là khoảng 4 đến 5 vạn.[cần dẫn nguồn]
• Quân Đại Việt, gồm quân cấm vệ và quân các lộ, có khoảng 10 vạn, trong đó có 2 vạn cấm quân (lực lượng chủ lực đóng ở gần kinh thành) và 8 vạn sương quân (quân đóng ở các địa phương). Quân Trần có đủ các binh chủng bộ binh, kỵ binh, tượng binh và thủy binh đã được thao luyện chu đáo. 2 vạn cấm quân có thể huy động toàn bộ, nhưng 8 vạn sương quân thì phải đóng quân rải khắp trên lãnh thổ cả nước, bao gồm việc ngăn ngừa nổi loạn, chống đạo tặc, canh gác biên giới và lăng tẩm... nên nhà Trần chỉ có thể tập trung được một bộ phận sương quân để tác chiến với Mông Cổ. Ước tính tổng binh lực của nhà Trần trong cuộc chiến này vào khoảng 6 vạn.

Đạo quân của Ngột Lương Hợp Thai không thật đông nếu nhìn về số lượng tuyệt đối, họ chỉ bằng 2/3 quân số nhà Trần. Tuy vậy, quân Mông Cổ, như đã được chứng minh trong quá trình tác chiến của mình, hầu như luôn thua sút về quân số so với đối phương của họ, ít nhất là theo tỷ lệ 1:2, tức là nhiều ra thì số quân nhân của họ cũng chỉ bằng nửa so với đối phương (Mông Cổ là nước thưa dân, dù huy động hầu hết trai tráng thì họ cũng chỉ có khoảng 15 – 20 vạn quân). Tuy ít hơn về số lượng nhưng quân Mông Cổ có lợi thế hơn hẳn về kỵ binh. Theo Đại Việt sử ký toàn thư, quân Trần có không quá 1 vạn kị binh, còn quân Mông Cổ có khoảng 2 - 3 vạn kị binh.

Ngoài ra, kỵ binh Mông Cổ cũng giỏi hơn về kỹ năng chiến đấu. Người Mông Cổ là dân tộc du mục sống bằng chăn nuôi và săn bắn, nên từ nhỏ đã phải liên tục tập cưỡi ngựa và bắn cung để sinh tồn, hình thức "thao luyện kị binh cả đời" này không thể có được trong một đất nước sống bằng nông nghiệp - ngư nghiệp như Đại Việt. Con trai Mông Cổ từ khi 3 tuổi đã bắt đầu học cưỡi ngựa, khi 4 - 5 tuổi thì nhận cây cung đầu tiên của mình. Suốt cuộc đời, người Mông Cổ dành phần lớn thời gian trên yên ngựa để săn bắn và chiến đấu. Trong các chiến dịch quân sự, người Mông Cổ còn có thể buộc mình vào yên ngựa để vừa ngủ vừa cưỡi, nhờ đó đạt được tốc độ hành quân cao. Các chiến binh Mông Cổ được ca ngợi là có sức chịu đựng phi thường, ai cũng sở hữu nhiều loại vũ khí và bắn thành thạo cung tên.[ghi chú 1]

Kỵ binh là binh chủng lợi hại bậc nhất thời trung cổ, có tính cơ động hơn hẳn bộ binh, cho phép quân Mông Cổ nhanh chóng tập trung lực lượng đánh vào chỗ mỏng yếu của đối phương, hoặc sẽ rút lui nhanh nếu thấy bất lợi. Sóng biển (chiến thuật kỵ binh) là cách tác chiến lợi hại của quân Mông Cổ, họ bao vây đội hình quân đối phương bằng cách bố trí kỵ binh theo tuyến dài, thực hiện chiến đấu bao vây linh hoạt. Khi quân thù mạnh hơn thì họ sẽ phân tán lực lượng, khi thời cơ thích hợp họ sẽ hợp lại và tiến hành bao vây đối phương. Chỉ với 100 kỵ binh có thể bao vây 1.000 bộ binh, và 1.000 kỵ binh có thể triển khai thành một tuyến dài hơn 30 dặm. Chiến thuật này là hình thức tác chiến cơ động: Quân Mông Cổ liên tục phi ngựa để giữ khoảng cách, không để đối phương tiếp cận, vũ khí sử dụng chủ yếu là cung tên để bắn quân địch từ xa. Khi quân đối phương chạy tới gần để cận chiến, quân Mông Cổ sẽ phi ngựa rút nhanh về phía sau, và chiến đấu theo Chiến thuật Parthia (vừa phi ngựa vừa bắn tên), nếu còn đường lui thì họ luôn tránh việc cận chiến. Chiến thuật này vừa khai thác tối đa lợi thế về tài năng cưỡi ngựa bắn cung của người Mông Cổ, vừa giảm tối đa nguy hiểm khi đánh cận chiến. Một kỵ binh Mông Cổ có thể dùng cung tên bắn hạ vài binh sĩ đối phương từ xa cả trăm mét, trong khi đối phương chỉ có gươm giáo thì cự ly tác chiến chỉ được vài mét, nên không thể đánh trả được.

Với lợi thế chiến thuật này, có những trận đánh quân Mông Cổ chỉ đông bằng 1/4 đối phương mà vẫn chiến thắng (như Trận sông Kalka, trận Mohi,...), hoặc như Chiến tranh Mông-Kim, Mông Cổ chỉ có khoảng 12 vạn quân mà đã đánh bại quân đội gần 1 triệu người của nhà Kim. Huy động 4,5 vạn quân (trong đó 2,5 vạn là kỵ binh Mông Cổ) là tương đương 1/5 binh lực của toàn nước Mông Cổ huy động đánh nước Nam Tống (trong khi Nam Tống đất rộng và đông dân gấp 20 lần Đại Việt). Dựa trên thực tế đó, các tướng Mông Cổ cho rằng với nước nhỏ như Đại Việt thì chỉ cần 4 vạn quân là quá đủ để chinh phạt rồi.

Một đặc điểm nữa của đạo quân này là trong thành phần lãnh đạo, nó quy tụ tới 50 chư vương của triều đình Mông Cổ và phò mã Mông Cổ tên là Quaidu. Đây là những sĩ quan có liên hệ huyết thống hoặc hôn nhân với gia đình của Thành Cát Tư Hãn, gia tộc đang thống trị Mông Cổ. Nhà sử học cổ trung đại người Ba Tư là Rasid ud-Din chép:

Tuy nhiên, quân Mông Cổ có nhược điểm lớn bắt nguồn từ chính ưu điểm của họ. Do chú trọng việc tác chiến cơ động, hành quân phải thật nhanh nên quân Mông Cổ không mang theo dân phu để vận tải lương thực, xây dựng doanh trại (do dân phu phải khuân vác nặng nên đi khá chậm, nếu đi cùng dân phu thì kỵ binh không hành quân nhanh được). Tất cả những gì cần thiết cho việc chiến đấu, sinh hoạt và ăn uống đều được quân Mông Cổ mang theo trên lưng ngựa. Với cách này, quân Mông Cổ chỉ có thể mang theo rất ít lương thực (chỉ đủ ăn vài ngày), khi đánh vào lãnh thổ đối phương thì họ sẽ cướp lương thực của dân bản địa để nuôi sống quân lính. Đây là chiến thuật mà Mông Cổ thường áp dụng trong các cuộc chiến trước đó và tỏ ra khá hiệu quả. Nhưng nhà Trần đã nhận ra điểm yếu của chiến thuật này và chuẩn bị sẵn kế hoạch "vườn không nhà trống" để đối phó. Triều đình nhà Trần đã sớm ra lệnh cho người dân cất giấu hết lương thực trong các kho, khiến quân Mông Cổ không cướp được lương thực và dần bị suy yếu.