Lần thứ nhất Mông Cổ tấn công Đại Việt vào tháng 1 năm 1258. Từ Đại Lý quân Mông Cổ và Đại Lý tiến vào Đại Việt. Đích thân Vua Trần Thái Tông và Thái tử Trần Hoảng dẫn quân lên nghênh địch tại Bình Lệ Nguyên (nay là Bình Xuyên, Vĩnh Phúc). Quân Mông Cổ tỏ ra chiếm ưu thế, quân Trần khi thất lợi đã chủ động rút lui về Phù Lỗ để bảo toàn lực lượng chứ không dốc sức đánh tới cùng, quân Mông Cổ đã không thành công trong việc tiêu diệt quân chủ lực Đại Việt và bắt các vua Trần.
Trận tiếp theo diễn ra tại Phù Lỗ (bên sông Cà Lồ). Quân Đại Việt lại bị đánh bại. Tuy nhiên, Nhà Trần đã dự tính trước điều này và đã chủ động sơ tán người dân và của cải ra khỏi kinh đô từ trước. Quân Mông Cổ dù chiếm được Thăng Long, nhưng Nhà Trần đã thực hiện "vườn không nhà trống", đem đi hết lương thực trong thành khiến quân Mông gặp phải khó khăn về lương thực.
Chỉ 10 ngày sau khi rút khỏi Thăng Long, Vua Trần và Thái tử lại dẫn quân phản công, đánh thắng quân Mông Cổ trong trận Đông Bộ Đầu (nay là quận Ba Đình, Hà Nội). Quân Mông Cổ lập tức bỏ thành Thăng Long rút lui về nước, cũng bằng con đường dọc theo sông Hồng. Trên đường rút lui, quân Mông Cổ đã bị lực lượng các dân tộc thiểu số miền núi Tây Bắc do Hà Bổng chỉ huy tập kích.
Toàn bộ cuộc chiến lần thứ nhất chỉ diễn ra trong vòng khoảng nửa tháng, với chỉ khoảng 3-4 trận đánh lớn. Sau thất bại tại Đại Việt, quân Mông Cổ phải tìm đường khác để tấn công Tống từ phía nam.