见安南如此“执迷不悟”，元世祖决定用兵。不久，陈日烜的弟弟陈益稷向元朝荆湖行省写信，自愿纳款归降。
元军由忽必烈儿子镇南王脱欢率领，在至元二十一年向安南进发。当然，元军声称是借道安南攻占城，并要安南提供粮草支援。安南王不傻，下令其堂兄光道王陈峻提兵在边界戒候元军。
元军两路进击，安南人也调兵拒守丘温（今琼山北）、丘急岭等隘口险关，元军过可离隘，在油板隘大败安南军，杀其大将。不久，元军分六路攻击，陈峻不敌，慌忙遁逃，元军追至万劫，攻破诸隘，直逼富良江（今红河），并缚筏为桥，大败安南水陆军。
安南军抵抗一阵后，不敌，皆败走。元军乘胜，直抵其都城升龙（今河内），安南王弃都而逃。
这位安南王也很有意思，败逃之余，他先自称“大越国主宪天体道大明光孝皇帝”，改名为“陈威晃”，接着，他又做惊人之举，自称太上皇，禅位于自己的儿子。
逃跑途中，陈日烜还命人四处张贴告示，不许安南人投降。由于元军一向残暴，安南的百姓投降者甚寡，倒是王室宗亲及南宋败逃到这里的汉官有不少人入元营投降。
元军自入安南国境，大小七战，取地二千余里，占领王宫四所。陈日烜和他爸一样，不羞于逃跑，反正安南水阔林密，往来走匿，和元军捉起了迷藏。
最后，陈益稷率其本宗与其妻子、官吏向元军投降。
表面上看，元军形势大好，屡战屡胜，其实其处境非常不妙。时至夏季，大军深入，久战兵疲，给养困难。安南兵虽数次败散，但增兵转多。特别是当地的地形，崎岖湿滑，蒙古军马不能驰骋，昔日战无不胜的蒙古铁骑根本不能施展。
于是，诸将集议后，元军放弃升龙，渡江北岸，开始撤军。
回撤途中，安南军一路追堵截杀，元军或被杀、或溺死，损失惨重。
特别值得一提的是，狼狈撤退中，元朝名将李恒、唆都二人皆丧命。李恒是为了保护镇南王脱欢，自告奋勇率兵殿后，被安南人用毒箭射死。唆都不知元军主力回撤，领兵趋奔乾满江附近时，为安南军邀击，力战不支被杀。
李恒本西夏皇族，七岁时城陷被俘，被蒙古宗王收为养子。后来，在灭南宋战役中，李恒数败宋将，特别是在江西等地，追杀文天祥一部宋军不遗余力，并在厓山充当张弘范副手最终灭了南宋，可称是蒙古人的最得力干将。李恒在安南撤退时，只是腿部中箭，但安南人使用了本地的“生物武器”，使得这位元将在思明州（今广西宁明）毒发身亡，时年五十岁。
唆都乃蒙古扎剌儿部人，骁勇善战，禁卫军出身。他在元朝平宋过程中获功不小，曾大败宋将范文虎的水师，并随伯颜一路攻城略地，直杀到临安城下，也曾当过主要负责监视文天祥的“馆伴”。张世杰在福州等地抗元，唆都在福建大肆杀人，兴化、漳州等地的居民全部被他屠杀一空。而后，他率兵攻打潮州，城陷后故伎重施，遍屠当地居民。后来，元朝攻占城，唆都率战船千艘出广州，把号称有二十万众的占城兵杀得大败，首战得捷。占城人被斩首、溺死者五万余。如此元军百战良将，凶神恶煞，竟然也在仓皇撤军途中遭遇安南兵，浑身被捅成血窟窿。
从这两个大将之死，就可看出此次元军安南之役的损失之大。
本来，忽必烈已经设立征东行省，准备派众将三征日本，正是因为安南失利，忽必烈才不得已取消此次征日行动。元朝吏部尚书刘宣也力谏：
近议复置征东行省，再兴日本之师，此役不息，安危系焉。唆都建伐占城，（阿里）海牙言平交趾，三数年间，湖广、江西供给船只、军需、粮运，官民大扰；广东群盗并起，军兵远涉江海瘴毒之地，死伤过半，即日连兵未解。且交趾（安南）与我接境，蕞尔小邦，遣亲王（脱欢）提兵深入，未见报功；唆都为贼所杀，自遗羞辱。况日本海洋万里，疆土阔远，非二国可比。今次出师，动众履险，纵不遇风，可致彼岸，倭国地广，徒众猥多，彼兵四集，我师无授，万一不利，欲发救兵，其能飞渡耶！隋伐高丽，三次大举，数见败北，丧师百万；唐太宗以英武自负，亲征高丽，虽取数城而还，徒增追悔。且高丽平壤诸城，皆居陆地，去中原不远，以二国之众加之，尚不能克，况日本僻在海隅，与中国相悬万里哉！
安南之役的失败和刘宣一席话，其实也是一轮真正的“神风”，又一次使倭国列岛免于灭顶之灾。
元军各行省军在潭州休整后，为报“奇耻大辱”，在至元二十三年（1285年）大举南伐，下令镇南王脱欢和左丞相阿里海牙平定安南后，扶投降元朝的陈益稷为安南国王。
六月，元朝大军一入境，安南王陈日烜立刻弃城遁走，逃跑成习惯。
由于太子真金的病亡以及卢世荣被杀后元朝财力的捉襟见肘，忽必烈对安南之征心存犹豫。为此，刘宣又上言，指出交、广炎瘴之地，毒气害人，出征浪费财力，不如休战，免蹈前辙。
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