Ở phương Bắc, Nguyên-Mông đã chinh phục hầu hết Nam Tống và bắt đầu dòm ngó Đại Việt. Ngay sau khi Nhân Tông đăng quang, hoàng đế nhà Nguyên là Hốt Tất Liệt cử Thượng thư Bộ Lễ Sài Thung sang Đại Việt, lấy cớ Nhân Tông "không xin mệnh mà tự lập" (nghĩa là tự xưng làm vua mà không chịu xin phép "thiên triều" Nguyên) để ép vua Trần sang triều kiến. Nhân Tông đã đối đãi tử tế với Sài Thung, nhưng kiên quyết không đi trình diện vua Nguyên. Sài Thung đành phải đi tay không về nước. Sau đó, Nhân Tông sai Trịnh Đình Toản và Đỗ Quốc Kế sang cống nạp nhà Nguyên. Tháng 12 năm 1279, Hốt Tất Liệt giam cầm Đình Toản ở thành Đại Đô, rồi ép Quốc Kế đi cùng một phái bộ mới của Sài Thung tới Đại Việt với mục đích tương tự lần trước. Nhân Tông vẫn không nhân nhượng, mặc dù Sài Thung đã dọa nạt rằng nếu vua Trần không sang chầu, "thì hãy sửa sang thành trì của ngươi, để đợi sự phán xét".

Đứng trước hiểm họa xâm lược từ Mông Cổ, Nhân Tông và Thánh Tông đã có nhiều nỗ lực nhằm phát triển kinh tế, đảm bảo sự ổn định và đoàn kết trong nước.Một trong những biện pháp là khuyến khích nông dân tăng cường sản xuất, và nhờ vậy, Đại Việt đã "được mùa to, lúa ruộng ở hương Trà Kiều thuộc Khoái Lộ một giò hai bông" (theo Đại Việt Sử ký Toàn thư) vào cuối năm 1279. Thêm vào đó, năm 1280, vua Trần ra lệnh hợp nhất hệ thống đo lường để thúc đẩy thương mại trên toàn quốc. Trên phương diện chính trị-xã hội, triều đình Trần Nhân Tông đã tiến hành điều tra và cập nhật dân số, đồng thời tích cực giải quyết các khiếu nại oan sai của người dân. Khi thủ lĩnh người dân tộc tại Đà Giang là Trịnh Giác Mật nổi dậy vào đầu năm 1280, Nhân Tông sai Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật đi thuyết phục phiến quân quy hàng. Nhật Duật nhờ khéo ngoại giao và hiểu biết văn hóa dân bản địa, nên đã thu phục được Giác Mật mà không phải giao chiến.

Về quan chế, năm 1282, vua Trần Nhân Tông đã đặt ra một số chức quan mới: Hàn lâm viện học sĩ phụng chỉ (1282), Tả hữu bộc xạ (1283).

Trong việc đối ngoại, hai vua Trần ứng xử vừa khéo léo, vừa cứng rắn với nhà Nguyên. Sau khi tiếp đón Sài Thung lần 3 vào năm 1280, năm 1281 Nhân Tông phái Trần Di Ái cùng Lê Mục, Lê Tuấn thay ông sang chầu vua Nguyên. Hốt Tất Liệt vẫn quyết tâm xâm lược phương Nam; nhà Nguyên cử một số quan lại sang giám sát các châu huyện của Đại Việt, nhưng Nhân Tông đã trục xuất những người này về Trung Quốc. Không bỏ cuộc, khoảng năm 1281–1282, hoàng đế nhà Nguyên lập Trần Di Ái làm "An Nam Quốc vương", Lê Mục làm "Hàn lâm học sĩ" và Lê Tuân làm "Thượng thư", rồi lại sai Sài Thung đem 1 nghìn quân hộ tống nhóm Di Ái về bản quốc. Nhân Tông, Thánh Tông đã huy động lực lượng chặn đánh ở ải Nam Quan và bắt giữ nhóm Di Ái, song vẫn nghênh đón Sài Thung về Thăng Long. Thất bại của việc lập Di Ái làm vua bù nhìn Đại Việt đã khiến Sài Thung tức giận đến mức khi "vua sai Quang Khải đến sứ quán khoản tiếp. Xuân [cách gọi khác của Sài Thung] nằm khểnh không ra, Quang Khải vào hẳn trong phòng, hắn cũng không dậy tiếp." Phải đến khi Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn đóng giả làm một tăng sĩ Trung Hoa đi vào sứ quán, Thung mới chịu tiếp.

Khoảng tháng 9 – 11 năm 1282, nhà Nguyên một mặt cử tướng Toa Đô từ Quảng Châu tấn công Chiêm Thành, mặt khác sai Trấn Nam vương Thoát Hoan tập trung 50 vạn quân chuẩn bị "mượn đường đánh Chiêm" (mà thực chất là xâm lược Đại Việt). Vào tháng 11, Nhân Tông mở hội nghị Bình Than để thảo luận với bá quan về phương án tổ chức kháng chiến. Hai tháng sau, hai vua Trần phong Trần Quốc Tuấn làm Quốc công Tiết chế – tức tổng chỉ huy toàn quân Đại Việt, đồng thời "chọn các quân hiệu có tài chỉ huy, chia đi nắm giữ các đơn vị". Cùng với Quốc Tuấn, Nhân Tông đã trực tiếp chỉ đạo các hoạt động huấn luyện, diễn tập của lục quân và thủy quân. Tháng 10 năm 1284, triều đình chia quân trấn giữ các địa bàn quan trọng trong cả nước. Bên cạnh đó, Nhân Tông vẫn cử một số sứ giả mang lễ vật đi xin Thoát Hoan "hoãn binh" trong nửa cuối năm 1284.

Không những đương đầu với người Mông Cổ, Trần Nhân Tông đã xây dựng mối quan hệ tích cực với nước Chiêm Thành ở phía Nam. Tháng 12 năm 1282, ông đã gửi 2 vạn quân cùng 500 chiến thuyền sang hỗ trợ người Chiêm chặn đánh cánh quân Nguyên của Toa Đô. Nhưng trong các văn thư gửi cho người Nguyên, triều đình Nhân Tông một mực phủ nhận hành động này.

Kháng chiến chống Nguyên (1285)

Tháng 1 năm 1284, Thoát Hoan đưa quân đến sát ải Nam Quan và viết thư đòi "mượn đường" tấn công Chiêm Thành. Nhân Tông sai sứ thuyết phục Thoát Hoan rằng: "Từ nước tôi đến Chiêm Thành, đường thủy, đường bộ đều không tiện cả"; và đồng thời, nhà vua ra lệnh cho Trần Quốc Tuấn thành lập tuyến phòng thủ trên biên giới. Ngày 27 tháng 1, quân Nguyên vượt biên giới, đánh bại quân Đại Việt tại các cửa ải Vĩnh Châu, Nội Bàng, Thiết Lược và Chi Lăng. Trần Quốc Tuấn phải rút quân chạy về bến Vạn Kiếp (nay thuộc thị xã Chí Linh, tỉnh Hải Dương). Sau khi nhận tin này, Nhân Tông bỏ cả bữa ăn sáng để đi thuyền xuống Hải Đông và hội kiến với Quốc Tuấn. Tại Hải Đông, ông truyền cho Trần Quốc Tuấn gọi quân từ các lộ phía đông bắc như Vân Trà, Ba Điểm về tập kết tại Vạn Kiếp. Các vương hầu như Hưng Vũ vương Trần Quốc Nghiện, Hưng Trí vương Trần Quốc Nghiễn, Hưng Nhượng vương Trần Quốc Tảng cũng mang 20 vạn quân đến giữ nơi này. Để động viên tinh thần tướng sĩ, Nhân Tông đã đề ở cuối thuyền 2 câu thơ rằng:

Cối Kê việc cũ người nên nhớ
Hoan Diễn kia còn chục vạn quân.
Ngày 11 tháng 2 năm 1285, Thoát Hoan sai Ô Mã Nhi đem binh thuyền tấn công Vạn Kiếp. Quân Đại Việt do nhà vua và Trần Quốc Tuấn chỉ huy đánh trả quyết liệt, giết được tướng Nguyên là Nghê Nhuận. Tuy nhiên, người Việt đã quyết định rút lui để tránh thế địch mạnh, thực hiện nghi binh khiến địch mệt mỏi rồi mới phản kích. Đến ngày 14, Ô Mã Nhi tổ chức bao vây 10 vạn quân của Nhân Tông tại Bình Than. Một trận thủy chiến lớn diễn ra và quân Nguyên cuối cùng đã không cản được quân Việt rút lui. Nhân Tông cùng Quốc Tuấn rút đại quân từ Vạn Kiếp, Phả Lại, Bình Than về đóng trên sông Hồng gần Thăng Long. Tại đây, vua Trần cho tập trung thủy quân và xây dựng các chiến lũy bằng gỗ trên bờ nam để cầm chân quân Nguyên, tạo thời gian cho việc sơ tán quân dân khỏi kinh thành theo kế vườn không nhà trống. Ngày 17 tháng 2, quân Nguyên lập doanh trại trên bờ bắc sông Hồng. Nhân Tông sai Đỗ Khắc Chung sang thương thuyết với Ô Mã Nhi, mà thực chất là thăm dò tình hình địch. Ngay sau khi Khắc Chung về căn cứ, hai bên Nguyên-Việt đại chiến bên bờ sông Hồng. Quân Nguyên giành được thế thượng phong, nhưng quân dân Đại Việt đã kịp thời di tản khỏi Thăng Long. Thánh Tông, Nhân Tông dẫn đại quân triệt thoái theo đường sông Hồng về hướng phủ Thiên Trường (Nam Định). Thoát Hoan chia quân làm 2 đường thủy bộ ráo riết truy kích. Hai vua và Trần Quốc Tuấn đã tổ chức một số trận đánh chặn tại bãi Đà Mạc và ải Hải Thị, nhưng bị thất bại. Sau trận Hải Thị, quân vua Trần lui hẳn về đóng quân tại Thiên Trường (Nam Định) và Trường Yên (Ninh Bình).

Tháng 3 năm 1285, cánh quân Nguyên của Toa Đô từ Chiêm Thành đánh thốc vào mạn nam Đại Việt. Hai vua và Trần Quốc Tuấn sai Thượng tướng Thái sư Trần Quang Khải đón đánh Toa Đô ở Nghệ An. Quân Nguyên nhanh chóng đánh bật quân Việt khỏi Nghệ An và Thanh Hóa, đẩy đại quân của Nhân Tông và Thánh Tông vào thế bị ép từ 2 mặt Bắc-Nam. Trần Quốc Tuấn đưa hai vua chạy về vùng bờ biển ở Quảng Ninh, Hải Phòng ngày nay. Trong hành trình rút lui, hai vua bị quân Nguyên đuổi gấp. Khi thấy quân Toa Đô đã rời Thanh Hóa tiến lên đóng ở Trường Yên (Ninh Bình), ngày 7 tháng 4 năm 1285 Nhân Tông và phụ hoàng lại vượt biển vào Thanh Hóa, thoát khỏi thế bị đối phương kìm kẹp. Toa Đô đã đưa quân vào Thanh Hóa truy lùng nhà vua, nhưng không thể tìm ra ông. Quân Nguyên cũng gặp nhiều khó khăn do thiếu hụt lương thực, không hạp khí hậu và liên tục bị dân binh Việt đánh phá sau lưng.

Tại Thanh Hóa, hai vua Trần đã chỉnh đốn, tổ chức lại lực lượng. Khoảng tháng 3 – 4 âm lịch, Nhân Tông đã nhận định trong một cuộc họp với các quan:

“Bọn giặc nhiều năm phải đi xa, lương thảo chuyên chở hàng vạn dặm, thế tất mỏi mệt. Lấy nhàn chống mệt, trước hết hãy làm chúng nhụt chí, thì ắt là đánh bại được chúng.”
— Trần Nhân Tông

Trên tinh thần đó, hai vua và Trần Quốc Tuấn chia đại quân thành nhiều mũi thực hiện tổng phản công. Dưới sự thống lĩnh của Trần Quốc Tuấn, Trần Quốc Tung, Trần Nhật Duật, Trần Quang Khải, Nguyễn Khoái và một số tướng khác, các cánh quân Đại Việt đã liên tiếp đánh thắng quân Nguyên tại đồn A Lỗ (nơi gần điểm hợp lưu của sông Luộc với sông Hồng), cửa Hàm Tử (nay thuộc Khoái Châu, Hưng Yên), Chương Dương Độ (nay thuộc Thường Tín, Hà Nội) và giải phóng Thăng Long trong hai tháng 5, 6. Bản thân hai vua cũng thân chinh ra bắc và đập tan một lực lượng Nguyên trong trận Trường Yên ngày 7 tháng 6 năm 1285. Tiếp theo đó, ngày 24 tháng 6 hai vua tiến đánh cánh quân Toa Đô tại Tây Kết (Khoái Châu). Toa Đô bị chém chết tại trận. Quân vua Trần bắt hơn 5 vạn quân Nguyên và tịch thu vô số khí giới. Theo Toàn thư, Nhân Tông khi thấy thủ cấp của Toa Đô đã nhận xét "người làm tôi phải nên như thế này", rồi cởi áo ngự phủ lên và sai người khâm liệm tử tế. Cùng lúc đó, hai anh em Trần Quốc Tuấn, Quốc Tung mở nhiều cuộc tấn công lớn trên bờ bắc sông Hồng và quét sạch cánh quân Thoát Hoan khỏi Đại Việt. Ngày 9 tháng 7 năm 1285, hai vua ca khúc khải hoàn trở về Thăng Long. Sách Việt sử tiêu án có ghi lại lời bàn của sử thần về cách lãnh đạo của hai vua:

“Mỗi lần có tin báo quân Nguyên sang cướp, thì tất là Vua thân hành ra ngoài trông coi quân, khi đi đông, đi tây, không đi nhất định đường nào, khi ở trên bộ, khi ở thủy không đóng nhất định ở đâu, đó không phải là rát, là vì Vua ở bên ngoài, thì dễ hiệu triệu thiên hạ. Cổ lệ lòng hăng hái của quân sĩ, chư tướng thì tiện việc tâu xin mệnh lệnh, tam quân thì vui lòng xông pha, lính tráng đều là quân của nước, của nhà giàu là của nước, có cơ hội nào thì cổ động quân sĩ xông vào trước, gặp tình thế không may thì tùy tiện mà chống giữ; khi tiến quân thì nhanh như chớp nhoáng, khi lui về thì như rồng rắn ẩn thân, giặc không biết đâu mà lường đạc được, nếu chỉ nấp giữ ở trong thành, thì địch coi đó là sào huyệt, chúng sẽ chặn đường không cho vận lương đến, và giữ viện binh không vào được, đến nỗi lương hết, lực cùng, chả nguy lắm sao. Có tin giặc đến mà Vua lập tức đi ra ngoài, đó là kỳ kế, liệu sức giặc và tính cách đánh của nhà Trần.”
— Việt sử tiêu án

Kháng chiến chống Nguyên (1287-88)
Sau khi đánh bại cuộc tấn công của Nguyên-Mông, tháng 7 năm 1285, vua Nhân Tông đã phóng thích các tù binh người Chiêm Thành (họ bị quân Nguyên bắt tòng quân khi Toa Đô xâm lược Chiêm Thành năm 1283) về nước. Tù binh quân chính quy Nguyên-Mông cũng được trở về quê hương vào mùa xuân năm 1286. Về nội trị, tháng 9 năm 1285, ông đã tiến hành phong thưởng các quan, tướng có công và trừng phạt những người từng đầu hàng địch. Đến tháng 11, ông ra lệnh xét duyệt hộ khẩu trong cả nước. Có bầy tôi ngăn cãn vua, cho là dân vừa trải qua nhiều vất vả, nên việc duyệt hộ khẩu lúc này là không cần thiết. Vua Nhân Tông quả quyết: "Chỉ có thể định hộ khẩu vào lúc này, chẳng nên qua đó mà xem xét [tình trạng] hao hụt, điêu tàn của dân ta hay sao?"; các quan bèn nghe theo. Sử gia Ngô Thì Sĩ có phê phán quyết định của vua Nhân Tông:

“Lúc ấy quân giặc mới rút lui, dân bị thương đau chưa khỏi, dân lưu tán chưa kéo về, thôn xóm đồng ruộng điêu tàn xơ xác, chiêu tập vỗ về dân còn chua xong, mà đã vội vàng làm sổ đinh; trong việc làm ấy thì phải quan chức tra xét, dân chúng hội họp, phí tổn về ăn uống; con gà, đùi lợn tránh sao khỏi phí, sổ mới, lệ cũ so sánh khó đều, sau khi binh lửa, mà phải bỏ nghề nghiệp đi hầu tra cứu nhiễu dân quá lắm; quần thần biết nói phải để chữa lỗi lầm, Vua trên lại trái lời can mà đặt điều để che lỗi; thế mà quần thần không cố can gián, mà lại khen phục, có phải gần như xiểm nịnh không?”
— Ngô Thì Sĩ
Cuối năm 1286, Hốt Tất Liệt huy động 30 vạn quân và 500 thuyền chiến chuẩn bị xâm lược Đại Việt lần hai. Nhận được tin này từ các quan biên giới, vua Nhân Tông hỏi Hưng Đạo vương: ""Năm nay thế giặc ra sao?" và được trả lời: "Nước ta thái bình lâu ngày, dân không hiểu việc binh, cho nên năm trước quân Nguyên vào cướp, còn có kẻ ra hàng hay trốn tránh. Nhờ uy linh tổ tôn, ta đã quét sách bụi Hồ. Nếu giặc lại đến, quân ta đánh đã quen, quân nó ngại đi xa. Ý thần xem ra tất phá được giặc".Sau đó, hai vua đôn đốc vương hầu chiêu mộ, huấn luyện binh sĩ, đồng thời chế tạo binh khí và tàu thuyền để chuẩn bị kháng chiến.

Tháng 12 năm 1287, quân thủy bộ nhà Nguyên chia làm 3 đạo tiến vào Đại Việt. Khác với cuộc chiến năm 1285, quân Việt chỉ đánh có tính kìm chân rồi chủ động lui khỏi biên giới. Thoát Hoan lại tung 2 vạn quân thủy bộ tấn công và chiếm Vạn Kiếp làm căn cứ, sau đó tiến về Thăng Long. Ngày 2 tháng 2 năm 1288, quân Nguyên mở màn đánh phá Thăng Long. Quân Đại Việt bỏ thành rút lui. Cũng ngày này, hải quân Đại Việt do Trần Khánh Dư chỉ huy đã tập kích và tiêu diệt hoàn toàn đoàn thuyền lương của Trương Văn Hổ tại Vân Đồn (Quảng Ninh). Các đoàn thuyền lương khác của quân Nguyên cũng không vào được Đại Việt vì bị bão biển, hoặc vì đi lạc tới Chiêm Thành.

Sau khi Thăng Long thất thủ, Thoát Hoan sai Ô Mã Nhi truy đuổi cha con vua Trần. Nhưng Thánh Tông và Nhân Tông đã lui xuống hạ lưu sông Hồng rồi eo cửa Giao Thủy đi ra biển vòng lên Tháp Sơn (Đồ Sơn).Thoát Hoan đành thu quân về Thăng Long, sau đó cử Ô Mã Nhi đi tìm đoàn thuyền lương của Trương Văn Hổ. Lúc này hai vua và Trần Quốc Tuấn đã tập trung quân thủy bộ ở Tháp Sơn. Khi quân Ô Mã Nhi qua đây, Nhân Tông tổ chức tập kích ở cửa Văn Úc (ngày 10 tháng 2 năm 1288), và trên biển gần Tháp Sơn, gây nhiều thiệt hại cho quân Nguyên. Ô Mã Nhi bèn dẫn quân trở lại Vạn Kiếp.

Ở Thăng Long mà không có lương thực, Thoát Hoan lúng túng. Không những thế, quân Đại Việt đã phản công mạnh mẽ và kiểm soát vùng Hải Dương và Hải Phòng đẩy Thoát Hoan vào nguy cơ bị cắt đường về Vạn Kiếp. Tình huống này buộc Thoát Hoan rút quân khỏi Thăng Long quay về Vạn Kiếp. Hai vua Trần một mặt sai Hưng Ninh vương Quốc Tung đến giả vờ hẹn ngày đầu hàng để gây quân Nguyên mất cảnh giác, mặt khác cứ đến đêm lại tung quân đột kích vào Vạn Kiếp. Cuối tháng 3 năm 1288, Thoát Hoan quyết định lui quân khỏi Đại Việt; Ô Mã Nhi được lệnh dẫn một cánh quân thủy rút về trước. Ngày 9 tháng 4, cánh quân này tiến đến sông Bạch Đằng và lọt vào trận địa mai phục của đại quân Việt. Dưới sự chỉ huy trực tiếp của hai vua và Trần Quốc Tuấn, quân Đại Việt đã tiêu diệt toàn bộ cánh thủy quân Nguyên, bắt sống nhiều tướng lĩnh (trong đó có Ô Mã Nhi, Phàn Tiếp, Tích Lệ Cơ) và tịch thu 400 thuyền chiến.

Ngày 18 tháng 4, hai vua Trần về phủ Long Hưng (Thái Bình) và đưa các bại tướng của trận Bạch Đằng bị bắt đến trình diện trước lăng Trần Thái Tông.