Mùa xuân năm 1281, Nguyên Thế Tổ phát động cuộc xâm lược Nhật Bản lần thứ hai, lần này với hai đạo quân lớn và có số lượng nhiều hơn đạo quân lần thứ nhất rất nhiều. Đội quân của người Mông Cổ tiến hành chiến dịch xâm lược Nhật Bản lần này được chia làm hai: một lực lượng gồm 900 tàu chở 17.000 thủy thủ, 10.000 lính Triều Tiên, 15.000 lính Mông Cổ và 15.000 lính Trung Quốc đã khởi hành từ Masan, Triều Tiên hướng tới Nhật Bản. Một lực lượng nữa còn đông đảo hơn gồm 3.500 tàu chở tới 142.000 binh sĩ và thủy thủ xuất phát từ phía nam Trung Quốc.

Tháng 5 năm 1281, hạm đội ra khơi từ Cao Ly cập bến Vịnh Hakata, còn hạm đội ra khơi từ Trung Quốc vẫn chưa đến nơi. Hạm đội thứ nhất đã đến Vịnh Hakata vào ngày 23 tháng 6 năm 1281 và bắt đầu mở những cuộc tấn công dữ dội. Mặc dù có số lượng tương đối lớn với 25 ngàn người, quân Nguyên không thể xuyên phá được hàng phòng thủ bằng đá vững chắc của Nhật Bản tại Vịnh Hakata cho dù đã sử dụng đến cả máy bắn đá, thế trận diễn ra giằng co quyết liệt. Thêm vào đó là chiến thuật quấy phá của quân Nhật: khi màn đêm buông xuống, các samurai Nhật Bản sử dụng những chiếc thuyền nhỏ bất thình lình đột kích hạm đội Mông Cổ trong bóng tối, đốt cháy nhiều con tàu và giết hại nhiều binh lính Mông Cổ, sau đó họ lại chèo thuyền quay trở lại đất liền. Quân Nhật Bản lần này chiến đấu ngoan cường hơn rất nhiều khi họ cứ liều mạng xông lên để phá hủy những cỗ máy bắn đá của quân Nguyên. Dịch bệnh cũng là một vấn đề lớn với quân Nguyên, ít nhất 3000 người chết vì bệnh, số người chết vì các cuộc đột kích hay trong các trận chiến vô vọng để công phá hàng phòng thủ Hakata lên tới hàng ngàn. Quân Nguyên sa lầy ở Hakata và đành phải chờ hạm đội chính với 10 vạn đại quân đến nơi.

Về phần hạm đội chính của quân Nguyên thì họ không đến thẳng Vịnh Hakata mà đi lòng vòng hơn nhiều. Đầu tiên đội quân tiên phong tiếp tục đổ bộ xuống đảo Tsushima, nhưng lần này chịu sự chống cự ác liệt của quân Nhật nên buộc phải rút lui. Đến ngày 8 tháng 6, quân Nhật chia làm hai đạo và tấn công quân Nguyên tại eo biển có tên Umi no Nakamichi, đây lại là một thắng lợi nữa của quân Nhật khi họ đánh bại quân của hai tướng nhà Nguyên là Hong Dagu - tướng người Cao Ly và Trương Thành - tướng người Hán. Ngày hôm sau Trương Thành cố gắng tập hợp lại quân để đáp trả quân Nhật nhưng thất bại do gặp phải sự kháng cự quá lớn. Sau thất bại này, Trương Thành dẫn số quân còn lại rút về đảo Iki để họp với lực lượng ở đây.

Đến ngày 29 tháng 6, quân của ba gia tộc Matsura, Ryuzoji và Takagi hợp lại với hơn 1 vạn quân và mở cuộc tổng tấn công đạo quân Nguyên ở đảo Iki. Lần này thì chính quân Nguyên lại bị thua kém về số lượng khi đại quân của họ đang ở đảo Hirado. Trận chiến trên đảo Iki kéo dài vài ngày và kết cục là quân Nguyên bị đánh bại và tàn quân của họ rút về đảo Hirado, họp với đại quân ở đây.

Lúc này, ở Hirado đang tập trung đại quân Nguyên gồm khoảng 10 vạn quân và đang chuẩn bị dong buồm tới Vịnh Hakata để trợ giúp đạo quân Nguyên còn lại. Nhận ra thời cơ chỉ có một, Takezaki Suenaga - vị tướng từng chiến thắng quân Nguyên 7 năm trước ở Torikai-Gata quyết định bất ngờ tấn công hạm đội của quân Nguyên. Do bị bất ngờ và không có sự chuẩn bị, thêm nữa là phần lớn quân lính đã đóng trại trên bờ, hạm đội của quân Nguyên bị tổn hại khá nặng nề, hầu hết các chỉ huy cấp cao của quân Nguyên đều ở trên tàu, một số bị giết, một số chạy về Đại Nguyên, bỏ mặc đại quân 10 vạn người ở lại Hirado.

Không còn chỉ huy, 10 vạn quân Nguyên lâm vào thế bị động, không biết nên làm gì. Cuối cùng, đại quân quyết định dong buồm đến Hakata nơi đạo quân còn lại đang sa lầy. Cuộc chiến lâm vào thế bế tắc trong suốt 50 ngày liên tục, cho đến ngày 12 tháng 8, hai đạo quân của nhà Nguyên cuối cùng cũng hợp lại được với nhau và tổng số là hơn 11 vạn quân. Với lượng quân khổng lồ như vậy, quân Nguyên hy vọng cuối cùng họ cũng có thể xuyên phá được lớp phòng ngự Hakata. Phải đối mặt với một lực lượng đông hơn gấp ba lần, thế nhưng các samurai vẫn chiến đấu rất dũng cảm dù tình thế đã dần trở nên tuyệt vọng. Tưởng như quân Nhật sẽ phải chịu thất bại, thì phép màu đã đến với họ: vào ngày 15 tháng 8 năm 1281, một cơn bão rất lớn đã đổ bộ vào bờ biển Kyūshū, cơn bão này lớn hơn cơn bão 7 năm trước gấp bội phần và đã đánh đắm hầu như toàn bộ hạm đội 4400 tàu chiến của quân Nguyên. Rất nhiều binh lính Mông Cổ đã chết đuối, số còn lại chạy kịp lên bờ thì cũng bị các samurai tàn sát. Cuối cùng thì lúc đi 13 vạn quân, đến khi cơn bão tan đi và tàn quân Nguyên chạy về được Cao Ly thì chỉ còn lại khoảng gần 3 vạn người.

Người Nhật tin rằng các vị thần của họ đã gửi những cơn bão để bảo vệ Nhật Bản khỏi quân Mông Cổ. Họ gọi cơn bão là kamikaze, hay "cơn gió thần". Hốt Tất Liệt dường như đã tin rằng Nhật Bản được bảo vệ bởi các lực lượng siêu nhiên, do đó ông quyết định từ bỏ tham vọng chinh phục đảo quốc này.