Việt Nam sử lược chép rằng, năm 1285 khi đại quân nhà Nguyên tiến vào Đại Việt, Toa Đô đành bỏ Chiêm Thành, dẫn quân tiến lên phía Bắc. Đầu tháng 3 năm 1285, Toa Đô đánh vào vùng Bố Chính của Đại Việt (Quảng Bình ngày nay) rồi tiến ra Nghệ An, đánh bại quân của Trần Nhật Duật. Trần Kiện phản bội, dẫn đường cho quân Toa Đô đánh quân của Trần Quang Khải ở Thanh Hóa. Quân Đại Việt bị thiệt hại nặng. Chưa đầy nửa tháng, Toa Đô đã chiếm được cả vùng Thanh-Nghệ.[7]

Sau khi chiếm được Thanh-Nghệ, Toa Đô dẫn quân ra Trường Yên (Ninh Bình). Biết cánh quân Toa Đô đói khát đã lâu, Thoát Hoan lệnh cho Toa Đô đóng ở Trường Yên kiếm lương thực. Vào nửa cuối tháng 3 năm 1285, khi được tin vua quan Đại Việt đã đi đường biển về Thanh Hóa, Thoát Hoan lệnh cho Toa Đô dẫn quan quay lại Thanh Hóa truy đuổi. Ô Mã Nhi được lệnh của Thoát Hoan xuống hỗ trợ Toa Đô. Tuy nhiên Toa Đô không tìm được các vua Trần. Sau khi quân Đại Việt chỉnh đốn xong lực lượng lại từ Thanh Hóa đánh ra Bắc vào khoảng đầu tháng 5 năm 1285.[8]

Tháng 5 năm 1285, Toa Đô và Ô Mã Nhi dẫn quân từ Thanh Hóa theo đường biển vào sông Hồng định lên Thăng Long hợp quân với Thoát Hoan. Trần Nhật Duật giáp chiến Toa Đô tại Hàm Tử. Toa Đô thua, phải lùi ra cửa Thiên Trường. Trần Nhật Duật được lệnh tiếp tục ngăn không cho cánh quân của Toa Đô hợp quân với Thoát Hoan. Trong khi đó, Trần Quang Khải, Phạm Ngũ Lão, Trần Quốc Toản tấn công thủy quân Nguyên đóng ở bên Chương Dương ngoài thành Thăng Long. Quân Đại Việt thắng lợi, liền tiến sát chân thành Thăng Long. Thoát Hoan dẫn quân ra ngoài thành đánh bị thua, bỏ thành rút chạy về phía Bắc sông Hồng.

Toa Đô không biết Thoát Hoan đã rút lui, cứ tiến quân vào đóng ở sông Thiên Mạc (đoạn sông Hồng ở Hưng Yên). Đến khi hay tin Thoát Hoan đã rút, Toa Đô liền lùi về đóng ở Tây Kết (Khoái Châu). Ngày 24 tháng 6 năm 1285, thượng hoàng Trần Thánh Tông, hoàng đế Trần Nhân Tông trực tiếp chỉ huy quân đánh Toa Đô. Toa Đô và Ô Mã Nhi thua, bỏ thuyền đi đường bộ ra phía biển. Trên đường chạy, Toa Đô bị quân Đại Việt bao vây, bị trúng tên chết. Ô Mã Nhi thì chạy thoát về Thanh Hóa. Theo Đại Việt sử ký toàn thư, vua Trần Nhân Tông trông thấy thủ cấp của Toa Đô thì cởi áo ngự phủ lên và nói "người làm tôi phải nên như thế này" rồi sai người khâm niệm tử tế.