Tháng 2 năm 1285, khi Thoát Hoan lên sông Nhĩ Hà, cột liền bè vào làm cầu, cho quân qua sông; quân ta theo hai bên sông lập đồn để cự lại, không được. Ngày đã về chiều, quân Nguyên qua được sông vào kinh thành Thăng Long, Trần Thánh Tông bèn sai đưa An Tư công chúa gả cho Thoát Hoan, để thư nạn cho nước.[23]

Tháng 3, An Tư công chúa vào dinh Thoát Hoan ở bờ Bắc sông Hồng. Mưu kế này của Nhà Trần đã làm chậm bước tiến quân dồn dập Thoát Hoan vào thành Thăng Long; tạo điều kiện thuận lợi rút lui an toàn và tái tổ chức phản công trên các mặt trận cho hoàng tộc nhà Trần.

Sau khi chiến thắng quân Nguyên, sử sách không ghi chép lại việc An Tư công chúa sống như thế nào trong những tháng ngày ở trại quân Nguyên. Cũng không biết kết cục của công chúa, có thể bà đã theo Trấn Nam vương về Nhà Nguyên cư ngụ.