Ở phương Bắc, người Mông Cổ dần dần xâm chiếm Trung Quốc. Sau khi tiêu diệt nhà Kim phía bắc, các vua Mông Cổ tiến xuống phía nam để diệt nước Nam Tống vốn đã suy yếu khi bị nhà Kim của người Nữ Chân xâm lấn từ đầu thế kỷ XII. Để tạo thế bao vây Nam Tống, vua Mông Cổ đánh chiếm nước Đại Lý (Vân Nam (1254) và sau đó đánh sang Đại Việt.

Cuối năm 1257, tướng Mông Cổ là Ngột Lương Hợp Thai (Uriyangqadai hay 兀良合台) mang 3 vạn quân tiến vào nước Đại Việt qua đường Vân Nam. Vua Trần Thái Tông đích thân ra chiến trận. Quân Trần cố gắng chặn nhưng quân Mông Cổ vẫn tiến vào được Thăng Long. Nhân dân Thăng Long theo lệnh của triều đình đã thực hiện "vườn không nhà trống", rút về Thiên Mạc (Hà Nam). Ngột Lương Hợp Thai kéo quân vào Thăng Long chưa đầy 1 tháng thì bị thiếu lương thực. Nhân cơ hội đó quân Đại Việt phản công ở Đông Bộ Đầu (Từ Liêm-Hà Nội). Quân Mông Cổ thua phải rút khỏi Thăng Long, đến vùng Quy Hóa (Yên Bái) bị quân của tộc trưởng Hà Bổng đánh tan tác, quân Mông Cổ rút chạy về Vân Nam.

Năm 1279, quân Mông diệt được Nam Tống. Từ năm 1280, vua Mông Cổ là Hốt Tất Liệt đã lập ra nhà Nguyên. Để lấy cớ đánh Đại Việt, nhà Nguyên cho Toa Đô mượn đường đánh Chiêm Thành (Champa). Sau nhiều hoạt động ngoại giao hòa hoãn bất thành, cuối cùng chiến tranh bùng phát. Cuối năm 1284, nhà Nguyên liền phái hoàng tử Thoát Hoan và tướng Toa Đô mang quân đánh hai đường nam, bắc kẹp lại để chiếm Đại Việt. Thoát Hoan đi từ Quảng Tây còn Toa Đô đi đường biển từ cảng Quảng Châu, trước hết đánh vào Chiêm Thành rồi đánh "gọng kìm" thốc lên từ phía nam Đại Việt.

Đây là lần xâm lược Đại Việt với quy mô lớn nhất của nhà Nguyên (huy động hơn 50 vạn quân) và cũng là cuộc kháng chiến gian khổ nhất của nhà Trần chống phương Bắc, quyết định sự tồn vong của Đại Việt lúc đó.

Sau nhiều đợt rút lui để tránh thế mạnh của các đạo quân Mông, dùng chiến thuật "vườn không nhà trống" để quân địch không có lương ăn và bị bệnh dịch do không hợp thủy thổ bản địa, nhà Trần tổ chức phản công vào cuối xuân, đầu hè năm 1285. Với những chiến thắng ở Tây Kết, Hàm Tử, Chương Dương, quân Trần đại thắng, bắt giết được Toa Đô. Thoát Hoan thu tàn quân chạy về bắc.

Thắng lợi năm 1285 cơ bản xác định sự tồn tại của Đại Việt và củng cố lòng tin của người Việt có thể đương đầu được với đạo quân hùng mạnh của Mông Nguyên liền kề phía bắc. Bởi vậy trong lần kháng chiến thứ 3 chống Mông Nguyên năm 1287, Hưng Đạo Vương Trần Quốc Tuấn nói với vua Trần: "...Quân ta đã quen việc chiến trận, mà quân nó thì sợ phải đi xa... Theo như thần thấy, phá được chúng là điều chắc chắn". Nhà Trần tiếp tục chủ động áp dụng chiến thuật tránh thế mạnh, triệt lương thảo. Cuối cùng quân Trần đại phá quân Nguyên ở sông Bạch Đằng tháng 4 năm 1288, bắt sống Nguyên soái Ô Mã Nhi, Phàn Tiếp, Tích Lệ Cơ. Thoát Hoan một lần nữa trốn chạy về bắc.

Sau thất bại lần thứ ba ở Đại Việt, Nguyên Thế Tổ Hốt Tất Liệt vẫn chưa muốn đình chiến. Sang các năm sau, vua Nguyên tiếp tục muốn điều binh sang nhưng chưa gặp thời cơ thuận tiện. Tới năm 1294 lại định điều binh lần nữa thì chính Hốt Tất Liệt băng hà. Cháu nội là Nguyên Thành Tông lên ngôi không muốn gây chiến với Đại Việt nữa. Việc chiến tranh với nhà Nguyên từ đó mới chấm dứt.