Lần thứ nhất Mông Cổ tấn công Đại Việt vào tháng 2 năm 1258. Từ Đại Lý, khoảng 15.000 – 25.000 kỵ binh Mông Cổ và 20.000 quân Đại Lý (tổng cộng là khoảng 35.000 – 45.000 quân) tiến vào Đại Việt.

Quân Đại Việt năm 1258, 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). Tuy nhiên, 8 vạn sương quân này 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 để tác chiến với Mông Cổ. Ước tính tổng binh lực của nhà Trần trong cuộc chiến này không quá 7 vạn.

Đích thân vua Trần Thái Tông và Thái tử Trần Hoảng dẫn quân lên nghênh địch tại Bình Lệ Nguyên (nay là Bình Xuyên, Vĩnh Phúc). Quân Mông Cổ tỏ ra chiếm ưu thế, quân Trần khi thất lợi đã chủ động rút lui về Phù Lỗ để bảo toàn lực lượng chứ không dốc sức đánh tới cùng, quân Mông Cổ đã không thành công trong việc tiêu diệt quân chủ lực Đại Việt và bắt các vua Trần.

Trận tiếp theo diễn ra tại Phù Lỗ (bên sông Cà Lồ). Quân Đại Việt lại bị đánh bại. Tuy nhiên, Nhà Trần đã dự tính trước điều này và đã chủ động sơ tán người dân và của cải ra khỏi kinh đô từ trước. Quân Mông Cổ dù chiếm được Thăng Long, nhưng Nhà Trần đã thực hiện "vườn không nhà trống", đem đi hết lương thực trong thành khiến quân Mông gặp phải khó khăn về lương thực.

Chỉ 10 ngày sau khi rút khỏi Thăng Long, Vua Trần và Thái tử lại dẫn quân phản công, đánh thắng quân Mông Cổ trong trận Đông Bộ Đầu (nay là quận Ba Đình, Hà Nội). Quân Mông Cổ lập tức bỏ thành Thăng Long rút lui về nước, cũng bằng con đường dọc theo sông Hồng. Trên đường rút lui, quân Mông Cổ đã bị lực lượng các dân tộc thiểu số miền núi Tây Bắc do Hà Bổng chỉ huy tập kích.

Toàn bộ cuộc chiến lần thứ nhất chỉ diễn ra trong vòng khoảng nửa tháng, với chỉ khoảng 3-4 trận đánh lớn. Quân Mông Cổ bị thiệt hại nặng, mất từ quá nửa cho tới khoảng 4/5 quân số. Theo Nguyên sử, khi tiến vào đất Tống, đoàn quân Mông Cổ chỉ còn lại 3.000 kị binh Mông Cổ và 1 vạn quân Đại Lý[3] Sau thất bại tại Đại Việt, quân Mông Cổ phải tìm đường khác để tấn công Tống từ phía nam.