Kết cục của Nguyễn Nộn cũng không được sử sách chép thống nhất. Các nguồn sử liệu khác nhau ghi chênh lệch thời gian khá nhiều. Chỉ có 1 điểm chung duy nhất là: các nguồn sử sách đều xác nhận ông chết vì bệnh.

Năm 1219

Theo Đại Việt sử lược, tháng 6, năm 1219, Trần Tự Khánh sai tướng Vương Lê đem binh về Nam Sách đánh Nguyễn Nộn. Quân hai bên giằng co, Trần Tự Khánh không thắng nổi quân của Nộn. Tháng chạp, Nguyễn Nộn bị bệnh nặng. Quân của Trần Tự Khánh đang đóng ở bến Triều Đông mà Nguyễn Nộn đã chết rồi[9]. Ngày Canh Ngọ, tướng của Nộn là Phí Thám ra hàng Trần Tự Khánh, có mang theo thái hậu và các công chúa (con vua Huệ Tông).

Như vậy, trong khi vua Huệ Tông trong tay Trần Tự Khánh thì có một bộ phận tôn thất nhà Lý lại trong tay Nguyễn Nộn.

Năm 1229

Theo các sách sử khác, sau năm 1219 Nguyễn Nộn vẫn còn hoạt động. Năm 1220, trong khi các sứ quân khác bị dẹp thì Nguyễn Nộn và Đoàn Thượng vẫn là hai sứ quân tồn tại chống lại triều đình (trong tay họ Trần).

Năm 1223, Trần Tự Khánh chết, em ruột là Trần Thừa và em họ là Trần Thủ Độ lên thay nắm quyền điều hành việc triều đình. Thế quân của Nguyễn Nộn ngày càng mạnh. Nguyễn Nộn chiếm cứ Bắc Giang, Đoàn Thượng chiếm cứ Hồng Châu.

Năm 1225, Trần Thủ Độ chủ xướng việc nhà Trần thay nhà Lý và lo việc đánh dẹp. Tuy nhiên bấy giờ Nguyễn Nộn và Đoàn Thượng binh thế còn mạnh, chưa dễ hàng phục được, Trần Thủ Độ bèn phong cho Nộn làm Hoài Đạo Vương, chia cho các huyện Bắc Giang Thượng, Bắc Giang Hạ, Đông Ngạn.

Tháng 12 năm 1228, Nguyễn Nộn đánh bại giết chết Đoàn Thượng. Nhân đó ông gộp cả quân của Thượng, cướp bắt con trai, con gái, tài sản, trâu ngựa đất Hồng Châu. Con của Thượng là Văn đem gia thuộc đến hàng. Thanh thế của Nguyễn Nộn rất lừng lẫy. Trần Thủ Độ lo lắng, chia quân chống giữ và sai sứ đem thư đến chúc mừng, gia phong Nộn làm Hoài Đạo Hiếu Vũ Vương (懷道孝武王).

Sau đó Thủ Độ lại đưa công chúa Ngoạn Thiềm gả cho ông để ngầm dò la tin tức. Biết ý Thủ Độ muốn dùng công chúa để lung lạc mình và dò la tin tức, ông chia nha tướng canh giữ riêng chỗ công chúa ở. Vì thế công chúa không thể báo được tin gì cho triều đình.

Tháng 3 năm 1229, Nguyễn Nộn tự xưng là Đại Thắng Vương, ham chơi buông thả, chè chén chơi bời bừa bãi. Tuy nhiên, ông cũng tự lượng sức biết thế mình không thể cùng đối lập với nhà Trần, định đến tháng 10 sẽ vào chầu, song còn do dự chưa quyết. Cuối năm đó ông ốm nặng, triều đình sai nội nhân tới hỏi thăm, Nguyễn Nộn cố gượng ăn cơm, phi ngựa để tỏ ra còn khoẻ mạnh. Nhưng không bao lâu thì ông qua đời. Lực lượng của ông nhanh chóng tan rã.

So sánh các nguồn sử liệu

Như vậy, Đại Việt sử lược phản ánh hoạt động của Nguyễn Nộn từ năm 1213 tới 1219, còn Toàn thư và Cương mục nêu hành trạng của ông từ 1218 đến 1229.

Theo nhận định của một số nhà nghiên cứu, Nguyễn Nộn tham gia chính trường từ năm 1213 và theo Trần Tự Khánh như Đại Việt sử lược phản ánh. Tuy nhiên, các chuyên gia nghi ngờ về cái chết của ông năm 1219. Theo nhóm ý kiến này, sau một trận thua quân Trần Tự Khánh, "vợ con Nguyễn Nộn đều bị bắt. Nguyễn Nộn mang theo 100 người về giữ Phù Ninh" và sau đó vẫn còn sống chứ không "ốm chết" như Đại Việt sử lược nêu. Ông tiếp tục tái lập lực lượng và giữ được Bắc Giang. Những hành trạng sau đó của ông như được gả công chúa Ngoạn Thiềm, giết được sứ quân Đoàn Thượng và xưng Hoài Vũ Đạo vương như Toàn thư và Cương mục ghi.

Ông mất ngày 1 tháng 3 năm 1229. Lăng mộ của ông được đặt tại xã Phù Dực (Phù Đổng - Gia Lâm ngày nay). Đền thờ của ông tại làng Phù Dực và làng Công Đình (xã Đình Xuyên)