Năm kỷ tị (1389) Chế Bồng Nga lại đem quân ra đánh Thanh Hóa. Vua sai Lê Quý Ly đem binh vào chống giữ ở làng Cổ Vô. Quan quân đóng cọc ngăn sông ra giữ nhau với giặc hơn 20 ngày. Giặc bèn phục binh, rồi giả tảng rút quân về. Lê Quý Ly đem quân thủy bộ đuổi đánh, bị phục binh của giặc đổ ra đánh, giết hại mất nhiều. Quý Ly trốn chạy về kinh để người tỳ tướng là Phạm Khả Vĩnh, và tướng quân là Nguyễn Đa Phương chống nhau với giặc ở Ngu Giang. Bọn Nguyễn Đa Phương thấy quân mình yếu thế, giả tảng bày cờ giàn thuyền ra rồi đến đêm rút quân về.
Qua tháng mười một, quân Chiêm lại vào sông Hoàng gian, Thượng hoàng sai quan Đô tướng là Trần Khát Chân 67 đem binh đi chống giữ với giặc. Trần Khát Chân khóc và lạy rồi ra đi, Thượng hoàng cũng khóc. Xem thế thì biết vua tôi nhà Trần, bấy giờ lấy quân Chiêm thành làm khiếp sợ lắm.
Trần Khát Chân đem quân đến Hoàng Giang xem không có chỗ nào đóng quân được tiện lợi, bèn rút về đóng ở sông Hải Triều (ở vào địa phận Huyện Hưng Nhân, tỉnh Thái Bình và huyện Tiên Lữ, tỉnh Hưng Yên, tức là ở sông Luộc).
Đến tháng giêng năm canh ngọ (1390) Chế Bồng Nga đi thuyền đến xem hình thế quân của Trần Khát Chân. Bấy giờ có thằng đầy tớ của Chế Bồng Nga có tội, sợ phải giết, chạy sang hàng với Trần Khát Chân. Nhân khi Chế Bồng Nga đem hơn 100 chiếc thuyền đến gần trại của quân nhà Trần đóng, tên đầy tớ ấy chỉ cái thuyền của Chế Bồng Nga cho Khát Chân. Khát Chân mới truyền lấy súng bắn vào thuyền ấy. Chế Bồng Nga trúng phải đạn chết.
Quan quân đổ ra đánh, quân Chiêm thấy quốc vương chết đều bỏ chạy cả. Quan quân đánh đuổi rồi cắt lấy đầu Chế Bồng Nga đem về dâng triều đình. Thượng Hoàng thấy đầu Chế Bồng Nga, tự ví mình như Hán Cao Tổ thấy đầu Hạng Vũ, rất là vui vẽ. Đoạn rồi định công thưởng tước các tướng sĩ.
Tướng Chiêm Thành là La Khải đem xác Chế Bồng Nga hỏa táng xong rồi, dem quân trở về nước, chiếm lấy ngôi vua Chiêm Thành. Hai người con Chế Bồng Nga phải chạy sang hàng An Nam, đều được phong tức hầu cả.