Khi được tin binh thuyền của quân Nguyên rút lui, Hưng Đạo vương đã cho quân phục kích ở hai bên bờ sông Bạch Đằng chờ giặc đến. Có lẽ Hưng Đạo vương đã cho bộ binh mai phục trong vùng núi đá vôi Tràng Kênh (Thủy Nguyên) và vùng rừng rậm rạp ở tả ngạn sông Bạch Đằng (Yên Hưng), còn thủy quân thì ẩn trong các con sông hai bên dòng Bạch Đằng như sông Giá, sông Thải, sông Điền Công....

Như vậy, sau trận Trúc Động, thủy quân nhà Nguyên đã phải quay lại để theo sông Đá Bạch xuống sông Bạch Đằng, để chuẩn bị rơi vào cái bẫy của quân Đại Việt.

Theo truyền thuyết ở vùng Phả Lễ (Thủy Nguyên, Hải Phòng) thì Hưng Đạo vương không đóng cọc ngang qua sông Bạch Đằng mà chỉ đóng cọc ở các sông phía Yên Hưng, còn ở hạ lưu Bạch Đằng thì dùng thủy quân án ngữ.

Diễn biến trận đánh

Sáng sớm ngày 8 tháng 3 (9.4.1288) đoàn thuyền của Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp tiến đến sông Bạch Đằng. Bấy giờ nước triều còn cao, che lấp những dãy cọc đóng trong sông. Quân Trần đem thuyền ra khiêu chiến rồi giả vờ thua chạy. Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp dẫn binh thuyền đuổi theo. Nước triều xuống thấp, đoàn thuyền của Ô Mã Nhi xô phải cọc, dồn cả lại. Nhiều chiếc bị vỡ và bị đắm. Trong khi đó, phục binh của ta ở hai bên bờ đổ ra, đánh vào sườn và phía sau đoàn thuyền địch.

“Đại Việt sử ký toàn thư” chép: “Nguyễn Khoái dẫn quân dũng nghĩa Thánh dực đánh nhau với giặc, bắt được Bình chương Áo Lỗ Xích (Ayuruychi). Hai vua đem quân tiếp đến, tung quân đại chiến. Quân Nguyên chết đuối nhiều không kể xiết. Nước sông vì thế đỏ cả. Quân ta bắt được hơn bốn trăm thuyền, Nội minh tự Đỗ Hành bắt được Ô Mã Nhi, Tích Lệ Cơ dâng lên Thượng hoàng...”.

Ta có thể tưởng tượng lại không khí trận đánh qua mô tả của Trương Hán Siêu, môn khách của Hưng Đạo vương, qua bài “Phú sông Bạch Đằng”:

“Bấy giờ/ Muôn dặm thuyền bè, tinh kỳ phấp phới/Sáu quân oai hùng, gươm đao sáng chói/ Sông mái chưa phân, Bắc Nam lũy đối/ Trời đất rung rinh chừ sắp tan/ Nhật nguyệt u ám chừ mờ tối...”.

Đoàn quân của Ô Mã Nhi đã không thể nào chống cự nổi trước sức tấn công mãnh liệt của quân ta. Tuy Phàn Tiếp đã cố gắng “chiếm lấy núi cao làm ứng”, nhưng tình thế vẫn không thể xoay chuyển khác được. Sử nhà Nguyên đã mô tả: “Thuyền An Nam tập trung đông, tên bắn như mưa” khiến thủy binh giặc chết rất nhiều. Máu giặc đỏ ngầu cả khúc sông. Nước triều rút gấp, thuyền giặc vướng cọc bị phá hủy càng nhiều.

Theo “Nguyên sử”, trong “Phàn Tiếp truyện” thì hai bến “đánh nhau đến giờ Dậu”, tức khoảng từ 5 giờ đến 7 giờ tối, thì toàn bộ đoàn thuyền của Ô Mã Nhi bị tiêu diệt.

Kết quả trận đánh, viên vạn hộ thủy quân Trương Ngọc tử trận. Phàn Tiếp bị thương, nhảy xuống sông, quân ta lấy câu liêm móc lên bắt sống. Tên tướng chỉ huy thủy quân giặc là Ô Mã Nhi cũng bị bắt. Ngoài ra, rất nhiều tướng lĩnh khác bị bắt, trong số đó có viên đại quý tộc Mông Cổ Si-rê-ghi và viên quan giữ văn thư đi theo Ô Mã Nhi là Lý Thiên Hựu. Thủy quân giặc bị giết, chết đuối và bị bắt vô số. Hơn bốn trăm thuyền giặc lọt vào tay quân ta.

Còn cánh quân trên bộ, theo Thoát Hoan từ Vạn Kiếp nhằm hướng Lạng Sơn rút lui, đã bị quân ta tập kích một trận ở ải Nội Bàng cũng như khắp trên đường, nên bị thương vong rất nhiều, viên tướng A-ba-tri trúng tên độc chết. Quân Nguyên về đến Tư Minh ngày 19.4.1288.

Ngày 17 tháng 3 âm lịch (18.4.1288), Thượng hoàng Thánh Tông và vua Nhân Tông về phủ Long Hưng, đem bọn tù binh Ô Mã Nhi, Si-rê-ghi, Sầm Đoạn, nguyên soái Điền cùng nhiều tên vạn hộ, thiên hộ khác, làm lễ hiến tiệp ở lăng Thái Tông - vị vua đã lãnh đạo quân dân Đại Việt giành chiến thắng trong cuộc kháng chiến quân Mông Cổ lần đầu năm 1258.

Trước lăng mộ của vua Thái Tông, Trần Nhân Tông cảm xúc làm hai câu thơ:

“Xã tắc lưỡng hồi lao thạch mã/ Sơn hà thiên cổ điện kim âu”.

(Xã tắc hai phen chồn ngựa đá/ Non sông nghìn thuở vững âu vàng).

Mười ngày sau, ngày 27 tháng 3 (28.4.1288) vua Trần và triều đình trở về kinh đô Thăng Long hoang tàn, ban lệnh đại xá thiên hạ, miễn tô dịch toàn phần cho những nơi bị giặc cướp phá.

Còn Thoát Hoan, khi về yết kiến vua Nguyên Hốt Tất Liệt, đã hứng chịu cơn tức giận của nhà vua, bị đuổi Dương Châu và hạ lệnh suốt đời không cho gặp mặt.