Sau khi những biện pháp dụ dỗ và đe dọa đối với nhà Trần không thành công, Ngột Lương Hợp Thai quyết định tấn công Đại Việt vào tháng 12 năm Đinh Tỵ (tức tháng 1 năm 1258). Quân của Ngột Lương Hợp Thai có ít nhất là hơn 3 vạn người trong đó 2 vạn là quân của Đoàn Hưng Trí[7] đi đường từ Vân Nam dọc theo sông Hồng vào Đại Việt.

Ngày 12 tháng Chạp (17 tháng 1 năm 1258), các lực lượng tiên phong của Ngột Lương Hợp Thai do Aju và Cacakdu chỉ huy đến Bình Lệ Nguyên và giao chiến với quân Đại Việt do đích thân vua Trần Thái Tông chỉ huy, khiến quân Trần không thể kháng cự.[8] Tuy nhiên, kế hoạch bắt sống vua Trần và đánh tan quân Đại Việt chỉ trong 1 trận đánh của Ngột Lương Hợp Thai thất bại do quân Trần đã rút lui nhanh chóng để tránh khí thế của quân Mông Cổ. Sau đó, Ngột Lương Hợp Thai tiếp tục tấn công ồ ạt, khiến quân Đại Việt phải bỏ kinh đô Thăng Long. Thiếu lương thực, khí hậu bất lợi, sự kháng cự của quân Đại Việt đã khiến quân của Ngột Lương Hợp Thai gặp nhiều khó khăn. Chỉ 12 ngày sau trận giao chiến đầu tiên, tức ngày 29 tháng 1 năm 1258, quân Đại Việt đã phản công, đánh bật quân của Ngột Lương Hợp Thai khỏi Thăng Long. Ngột Lương Hợp Thai quyết định rút quân về Vân Nam. Giữa đường bị lực lượng của Hà Bổng tập kích gây tổn thất nặng.[9]

Sau khi thoát về Vân Nam, Ngột Lương Hợp Thai được lệnh hội sư công Tống, nhưng bị tước giải binh quyền không lâu sau đó.[10] Quyền chỉ huy được giao lại cho con trai của Uriyangqatai là Aju.