Năm 1281, Toa Đô được cử làm hữu thừa hành tỉnh Chiêm Thành. Tháng 12 năm 1282, Toa Đô chỉ huy một hạm đội 20 vạn quân với 1 ngàn thuyền[2] xuất phát từ Quảng Châu đi tấn công Chiêm Thành. Đây là một phần của kế hoạch giáp công đánh Đại Việt, theo đó Toa Đô sau khi đánh xong Chiêm Thành sẽ từ phía Nam đánh lên. Còn đại quân của Thoát Hoan sẽ từ phía Bắc đánh xuống.

Ngày 30 tháng 12 năm 1282, quân Toa Đô đến bờ biển gần kinh đô Vijaya của Chiêm Thành. Toa Đô cử sứ giả đi dụ hàng, nhưng vua tôi Chiêm Thành không tuân phục. Mãi đến ngày 13 tháng 2 năm 1283, Toa Đô mới ra lệnh đánh. Toa Đô chia quân làm 3 cánh. Cánh chủ lực gồm 3 nghìn quân do đích thân Toa Đô chỉ huy chia làm 3 mũi tấn công vào mặt phía Nam của tòa thành gỗ mà quân Chiêm Thành đang giữ để bảo vệ kinh đô. Cánh thứ hai tấn công mặt Bắc. Cánh thứ ba tấn công mặt Đông. Tuy nhiên, chưa đến trận địa thì quân của Toa Đô đã gặp phải biển động khiến số thuyền bị vỡ mất 7, 8 phần mười. Tuy vậy, đến chiều tối quân Toa Đô đã chiếm được thành.[3]

Ngày 17 tháng 2 năm 1283, Toa Đô tiến đánh kinh đô Vijaya. Ngày 21, quân Toa Đô tiến vào kinh thành sau khi quân Chiêm Thành đã bỏ kinh đô, rút lên núi rừng.[4]

Vua Chiêm Thành là Indravaman V sai sứ đến thương thuyết hoãn binh với Toa Đô, giả là vua Chiêm Thành xin hàng. Toa Đô mắc lừa không truy kích quân Chiêm Thành giúp Chiêm Thành có thời gian khoảng 1 tháng để chấn chỉnh và tăng cường được lực lượng.[5]

Ngày 16 tháng 3 năm 1283, Toa Đô bắt đầu đánh tiếp. Do người Chiêm Thanh rút vào rừng núi kháng cự quyết liệt, nên đạo quân của Toa Đô phải chiến đấu rất vất vả. Toa Đô rút quân khỏi kinh đô Vijaya và ra bờ biển Quy Nhơn ngày nay lập trại. Quân lính của Toa Đô bỏ trốn nhiều.[6]

Do lương thực hết, do viện binh đã xin mà không sang, Toa Đô quyết định rút quân lên miền Bắc Chiêm Thành, gần biên giới với Đại Việt, xây thành gỗ, mở đồn điền sản xuất lương thực. Điều này khiến cho đạo quân tiếp viện do Qutuqu (Hốt Đô Hốt hoặc Hốt Đô Hổ), Omar (Ô Mã Nhi) chỉ huy tới Quy Nhơn không gặp được Toa Đô; sau đạo quân này bị đắm thuyền rất nhiều vì bão.

Mãi tới đầu năm 1285, Toa Đô mới rời Chiêm Thành tiến vào Đại Việt để phối hợp tác chiến với Thoát Hoan.