Trong trận chiến lần thứ ba, giữa quân Trần và quân Nguyên đã đụng độ dàn trải trên nhiều địa bàn ở hầu hết miền bắc Đại Việt. Quân Trần đã chủ động nhằm vào những điểm yếu của quân Nguyên để đánh tiêu hao lực lượng địch.

Khi quân Nguyên tiến vào, quân Trần không rút lui co cụm hoàn toàn về phía sau mà vẫn chủ động bố trí lực lượng chặn đánh địch trên nhiều tuyến. Ngoài mặt trận chính ở Lạng Sơn, Vạn Kiếp và Thăng Long mà quân Nguyên chiếm ưu thế, quân Trần vẫn có được hai trận thắng ở phía sau lưng quân chủ lực Thoát Hoan: trận Cao Lạng đánh tan hậu đội của Lê Tắc và đặc biệt là trận Vân Đồn cắt đứt hoàn toàn lương thực của quân Nguyên khiến Thoát Hoan buộc phải điều quân tản rộng ra để cướp của người Việt. Chiến thắng Vân Đồn được các sử gia đánh giá có tầm quan trọng rất lớn, quyết định bước ngoặt chiến trường, vì đạo quân đông đảo của Thoát Hoan không có lương thực sẽ rất nhanh rơi vào tình trạng nguy khốn. Nếu số lương của Trương Văn Hổ tới được tay Thoát Hoan thì đã có thể giúp cho quân Nguyên kéo dài chiến sự và gây thêm nhiều khó khăn cho Đại Việt.[32]

Nhà Trần một lần nữa lại lập võ công đẩy lui được một cuộc xâm lược quy mô của nhà Nguyên, giữ vững được bờ cõi. Trận Bạch Đằng, 1288 cũng được ghi nhận là một trong những trận đánh nổi tiếng nhất trong lịch sử Việt Nam. Tuy nhiên, thắng lợi lần thứ ba chưa thực sự chấm dứt được chiến tranh. Sau cuộc chiến, nhà Trần đã chủ động dùng biện pháp ngoại giao để lập lại hoà bình; Hốt Tất Liệt vẫn muốn tiếp tục động binh trong những năm sau nhưng chưa có cơ hội thuận lợi. Năm 1294, Hốt Tất Liệt qua đời, Thiết Mộc Nhĩ lên ngôi ngừng việc phát động chiến tranh với Đại Việt. Khi đó chiến tranh mới thực sự chấm dứt.

Thất bại của Mông Cổ trong trận chiến này mang sự tự tin cho các quốc gia châu Á nhỏ xung quanh về các cuộc chiến của họ chống lại quân Mông Cổ sau này, đồng thời cũng đè bẹp tham vọng chinh phục toàn bộ Đông Nam Á của nhà Nguyên.