Năm Ất Mão, quân Mông Cổ do Ngột Lương Hợp Thai chỉ huy đánh chiếm được nước Đại Lý (Vân Nam) theo kế hoạch bao vây tiêu diệt nhà Nam Tống. Trong khi đang củng cố nền móng cai trị nước này, Ngột Lương Hợp Thai cử ba sứ giả đến Thăng Long thuyết phục vua nhà Trần đầu hàng. Vua Thái Tôn không những bác bỏ yêu sách của Mông Cổ, lại còn bắt giam sứ giả của họ lại. Ngột Lương Hợp Thai hết sức tức giận nên đầu năm Đinh Tị, y cho điều quân tràn sang nước ta. Ngột Lương Hợp Thai chia quân làm hai cánh, một cánh theo ngả Vân Nam, xuôi sông Thao tiến xuống Hưng Hóa, một cánh theo ngả Hà Giang xuôi theo sông Lô, hai cánh hẹn gặp nhau ở Bạch Hạc, rồi trực chỉ thành Thăng Long. Vua Thái Tôn sai Hưng Đạo vương Trần Quốc Tuấn, bấy giờ mới 31 tuổi chỉ huy cánh quân tiên phong chống giữ ở Bạch Hạc. Nhưng vì quân Nguyên mới sang khí thế quá hăng, vương chống không nổi, phải rút quân về Sơn Tây. Vua Thái Tôn tự cầm quân ra nghênh chiến ở Bình Lễ (Vĩnh Yên). Quân giặc đánh rát quá, quân ta hết sức núng thế. Nhờ tướng Lê Phụ Trần liều mình xông xáo chiến đấu mới tạm cản được bước chân quân Nguyên. Có người khuyên vua Thái Tôn nên đóng quân lại để tử chiến, nhưng Lê Phụ Trần can:

- Làm như vậy là coi như bệ hạ dốc túi đánh nước bạc cuối cùng thôi! Nên lánh đi, chớ nên nhẹ tin lời người ta!

Vua Thái Tôn nghe lời Lê Phụ Trần, cho lui binh. Lê Phụ Trần lại hăng hái xông xáo cản hậu để đại quân rút lui khá toàn vẹn. Cùng lúc, để bảo toàn lực lượng và né tránh khí thế đang hăng của quân Mông Cổ, Thái sư Trần Thủ Độ cũng tạm thời bỏ ngõ Thăng Long, chạy về giữ Hưng Yên. Trong khi đó Linh Từ quốc mẫu chỉ huy đưa Thái tử Trần Hoảng và đám cung tần mỹ nữ cùng vợ con các quan tướng lánh về vùng Hoàng giang ở Nam Định.



Quân Nguyên tràn xuống chiếm Thăng Long rất dễ dàng. Vào thành thấy ba viên sứ giả Mông Cổ vẫn còn bị trói, chúng vội cởi dây ra nhưng một người đã chết. Quân Nguyên nổi giận tàn sát cướp phá dân ta ở kinh thành hết sức man rợ. Vì thế, quan tướng binh sĩ cũng như dân chúng Đại Việt khắp nơi đều nức khí hận thù.

Vua Thái Tôn thấy tình thế bi quan, hỏi ý Thái sư Trần Thủ Độ. Thái sư cứng rắn đáp: "Đầu tôi chưa rơi xuống đất, xin bệ hạ đừng lo!". Nhờ câu nói cương quyết đó, vua Thái Tôn giữ được tinh thần để tiếp tục kháng chiến.

Sau đó không lâu thời tiết đột ngột chuyển đổi, khí hậu nước ta trở nên oi bức khó chịu lắm. Quân Mông Cổ quen sống ở xứ lạnh chịu không nổi cái khí hậu oi bức đó nên phát sinh ra nhiều thứ bệnh tật, họ đều trở nên uể oải, mất cả tinh thần hăng hái ban đầu. Dò biết được tình hình quân giặc như vậy, vua Trần Thái Tôn bèn ra lệnh tổng phản công. Quân ta tập trung đánh lớn ở Đông Bộ Đầu*. Quân Mông Cổ đau ốm mệt mỏi không sao chống cự không nổi, chịu thảm bại mà rút về Tàu. Trên đường rút lui, quân chúng không còn đủ sức để cướp bóc ai nên dân chúng gọi đùa là "giặc Phật".

Cuộc kháng chiến chống Mông Cổ xâm lược dưới thời Trần Thái Tôn đã thắng lợi lớn, quân dân Đại Việt vô cùng phấn khởi.

Lúc bấy giờ Thái sư Trần Thủ Độ đã 65 tuổi, vua Trần Thái Tôn đã nắm gần hết thực quyền trong tay. Vua bèn tự mình xét duyệt công lao những người tham gia trong cuộc chiến để ban thưởng. Khi xét đến tướng Lê Phụ Trần, vua Thái Tôn trầm ngâm suy nghĩ rất lâu. Nếu không có Lê Phụ Trần can ngăn, ngài đã có thể dốc túi đánh nước bạc cuối cùng ở Bình Lễ, không biết bây giờ số phận nước Đại Việt sẽ ra sao? Với khí thế của giặc lúc đó, quân ta thật khó lòng mà thắng được! Rồi đến cuộc lui quân, nếu không có Lê Phụ Trần liều mình cản hậu, chắc chắn quân ta cũng phải tổn thất nặng nề. Đến chiến dịch phản công quân Mông Cổ, Lê Phụ Trần cũng góp công quá lớn. Lấy chức tước gì mà ban thưởng ông ta cho xứng đáng đây? Rốt cục, vua Thái Tôn phải thỉnh cầu ý kiến của Quốc thượng phụ Thái sư Trần Thủ Độ. Thái sư nói:

- Lê Phụ Trần là người có tài thao lược, lại khảng khái, ngay thẳng, hãy ban cho ông ấy chức Ngự sử đại phu vậy!