Trong khi nhà Lý mất ngôi, nhà Trần lên làm vua ở An nam, thì nhà Tống bên Tàu bị người Mông cổ đánh phá. Nguyên ở phía bắc nước Tàu có một dân tộc gọi là Mông cổ, ở vào khoảng thượng lưu sông Hắc long giang (Amour). Người Mông cổ hung tợn, mà lại có tính hiếu chiến, người nào cưỡi ngựa cũng giỏi, và bắn tên không ai bằng. Binh lính thường là quân kị, mà xếp đặt thành cơ nào đội ấy, thật là có thứ tự, và người nào cũng tinh nghề chiến đấu.
Bởi tính chất và binh pháp của người Mông cổ như thế, cho nên Thiết mộc chân (Témoudjine) tức là Thành cát tư hãn (Gengis khan), miêu hiệu là Nguyên thái tổ, mới chiếm giữ được cả vùng Trung Á, cùng đất Ba tư, sang đến phía đông bắc Âu la ba. Sau quân Mông cổ lại lấy được nước Tây hạ, phía tây nước bắc Tàu, dứt được nước Kim và tràn sang đến nước Triều tiên (Cao ly).
Thành cát tư hãn mất, người con thứ ba là A loa đài (Agotai) lên làm vua tức là Nguyên thái tông. A loa đài truyền cho con là Quí do (Gouyouk) tức là Nguyên Định tông. Quí do làm vua được non ba năm thì mất, ngôi vua Mông cổ về chi khác. Người em con nhà chú là Mông kha (Mong ké) lên làm vua, tức là Nguyên Hiến tông.
Mông kha sai hai em là Hạt lỗ (Houlagen) sang kinh lý việc nước Ba tư, và Hốt tất liệt (Koubilai) sang đánh nhà Tống bên Tàu. Trong khi quân Mông cổ sang đánh nhà Tống, thì Mông kha mất, Hốt tất liệt phải rút binh về lên ngôi vua, tức là Nguyên Thế tổ. Hốt tất liệt lên làm vua rồi đổi quốc hiệu là Nguyên.
Hốt tất liệt lại sang đánh nhà Tống. Từ đó cả nước Tàu thuộc về Mông cổ cai trị.
Khi Mông kha hãy còn, Hốt tất liệt đem quân sang đánh nhà Tống, có sai một đạo quân đi đánh nước Đại lý (thuộc tỉnh Vân nam bây giờ) tướng Mông cổ là Ngột lương hợp thai (Wouleangotai) sai sứ sang bảo vua Trần thái tông về thần phục Mông cổ.
Thái tông không những là không chịu, lại bắt giam sứ Mông cổ, rồi sai Trần quốc Tuấn đem binh lên giữ ở phía Bắc. Bấy giờ là năm đinh tị (1257).
Trần quốc Tuấn ít quân đánh không nổi, lùi về đóng ở Sơn tây. Quân Mông cổ kéo tràn xuống đến sông Thao. Thái tông phải ngự giá thân chinh, nhưng đánh không được, chạy về đóng ở sông Hồng hà 37 . Quân Mông cổ tiến lên đánh đuổi quân nhà Trần đến Đông bộ đầu (phía đông sông Nhị hà ở hạt huyện Thượng phúc). Thái tông phảI bỏ kinh đô, chạy về đóng ở sông Thiên mạc (về hạt huyện Đông an, tỉnh Hưng yên).
Quân Mông cổ vào thành Thăng long, thấy ba người xứ Mông cổ còn phải trói, giam ở trong ngục, đến khi cởi trói ra thì một người chết. Ngột lương hợp thai thấy thế tức giận quá, cho quân ra giết phá cả nam phụ lão ấu ở trong thành.
Bấy giờ thế nguy, Thái tông ngự thuyền đến hỏi Thái úy là Trần nhật Hiệu. Nhật Hiệu không nói gì cả, cầm sào viết xuống nước hai chữ "Nhập Tống". Thái tông lại đến hỏi Thái sư Trần thủ Độ. Thủ Độ nói rằng: " Đầu tôi chưa rơi xuống đất, thì xin Bệ hạ đừng lo! ". Thái tông nghe thấy Thủ Độ nói cứng cỏi như thế, trong bụng mới yên.
Được ít lâu quân Mông cổ ở nước Nam không quen thủy thổ xem ra bộ mỏi mệt. Thái tông mới tiến binh lên đánh ở Đông bộ đầu. Quân Mông cổ thua chạy về đến trại Qui hóa, lại bi chủ trại đấy chiêu tập thổ dân ra đón đánh. Quân Mông cổ thua to, rút về Vân nam, đi đường mỏi mệt, đến đâu cũng không cướp phá gì cả, cho nên người ta gọi là giặc Phật.
Quân Mông cổ tuy thua phải rút về, nhưng chẳng bao lâu vua Mông cổ dứt được nhà Tống, lấy được nước Tàu, rồi có ý muốn bắt vua nước Nam ta sang chầu ở Bắc kinh, bởi vậy lại sai sứ sang đòi lệ cống. Vua Thái tông sai Lê phụ Trần sang sứ xin cứ ba năm sang cống một lần.
Mùa xuân năm mậu ngọ (1258), Thái tông nhường ngôi cho Thái tử là Trần Hoảng, để dạy bảo mọi việc về cách trị nước, và đề phòng ngày sau anh em không tranh nhau. Triều đình tôn Thái tông lên làm Thái thượng hoàng để cùng coi việc nước. Thái tông trị vì được 33 năm, làm Thái thượng hoàng được 19 năm thì mất, thọ 60 tuổi.