Tháng 10 năm 1282, vua Trần Nhân Tông mở hội nghị Bình Than, cùng điên , quan bàn kế chống quân Nguyên. Trần Ích Tắc thấy Hoài Văn Hầu Trần Quốc Toản, Hoài Nhân Vương Kiện đều còn trẻ tuổi, không cho dự bàn. Quốc Toản trong lòng hổ thẹn, phẫn khích, tay cầm thanh kiếm, tay kia bóp nát quả cam lúc nào không hay. Sau đó Quốc Toản lui về, huy động hơn nghìn gia nô và người nhà thân thuộc, sắm vũ khí, đóng chiến thuyền, viết lên cờ sáu chữ:"Phá cường địch, báo hoàng ân" (破強敵，報皇恩; phá giặc mạnh, báo ơn vua). Sau này, khi đối trận với giặc, tự mình xôn lên trước quân sĩ, giặc trông thấy phải lui tránh, không dám chống lại.[2].

Tháng 4 năm 1285, Trần Nhân Tông sai Chiêu Thành vương (khuyết danh), Hoài Văn hầu Quốc Toản cùng tướng quân Nguyễn Khoái đem tiệp binh đón đánh quân Nguyên ở bến Tây Kết.

Ngày 10 tháng 5 năm đó, có người về báo cho Lưỡng Cung[3] là Thượng tướng Chiêu Minh đại vương Trần Quang Khải, Hoài Văn hầu Quốc Toản và Trần Thông, Nguyễn Khả Lạp cùng em là Nguyễn Truyền đem dân binh các lộ đánh bại quân giặc ở các xứ Kinh Thành, Chương Dương. Quân giặc tan vỡ lớn... Thoát Hoan, Bình chương A Lạt phải rút chạy qua sông Lô.

Trong các sử sách của Việt Nam như Khâm định Việt sử Thông giám cương mục, Việt sử tiêu án và các quyển sử soạn gần đây như Việt sử tân biên của Phạm Văn Sơn, Việt Nam sử lược của Trần Trọng Kim, Trần Hưng Đạo của Hoàng Thúc Trâm đều không thấy đề cập đến cái chết của Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản. Chỉ có Đại Việt sử ký toàn thư bản kỷ quyển V có viết: "... Đến khi mất, vua rất thương tiếc, thân làm văn tế, lại gia phong tước Vương"[4].

Nhưng các quyển sử của nhà Nguyên lại có đề cập đến cái chết của ông. Phần An Nam truyện của Nguyên sử, tờ 8a10 có ghi: "Quan quân đến sông Như Nguyệt, thì Nhật Huyên sai Hoài Văn hầu đến đánh..."[5]. Phần Kinh thế đại điển tự lục trong Nguyên văn loại, 41 tờ 27b 1-2 có viết:"... Đến sông Như Nguyệt, Nhật Huyên sai Hoài Văn hầu đến đuổi thì bị giết". Hoài Văn hầu chính là Trần Quốc Toản.

Theo sách Việt sử kỷ yếu của Trần Xuân Sinh, khi Ô Mã Nhi đánh vào Vân Đồn để cướp lại lương thực thì quân của Trần Quốc Toản và Trần Khánh Dư chống đỡ kịch liệt. Quốc Toản hăng hái cự địch, không may qua đời ngày 2 tháng 2 âm lịch.