Nước tuy được yên, song việc giao thiệp với Tàu một ngày một khó thêm. Đời bấy giờ Mông cổ đã đánh được nhà Tống rồi, chỉ chực lấy nước An nam, nhưng vì trước tướng Mông cổ đã đánh thua một trận, vả trong nước Tàu vẫn chưa được yên, cho nên vua Mông cổ muốn dụng kế dụ vua An nam sang hàng phục, để khỏi dùng can qua. Vậy cứ vài năm lại cho sứ sang sách nhiễu điều nọ điều kia, và dụ vua An nam sang chầu, nhưng vua ta cứ nay lần mai lữa, không chịu đi. Sau nhân dịp Thái tông nhừờng ngôi cho Thánh tông, vua Mông cổ sai sứ sang phong vương cho Thánh tông, và tuy không bắt nước Nam phải đổi phục sắc và chính trị, nhưng định cho ba năm phải một lần cống. Mà lệ cống thì phải cho nho sĩ, thầy thuốc, thầy bói, thầy toán số và thợ thuyền mổi hạng ba người, cùng với các sản vật như là sừng tê, ngà voi, đồi mồi, châu báu và các vật lạ. Vua Mông cổ lại đặt quan Đạt lỗ hoa xích (tiếng Mông cổ tức là quan Chưởng ấn), để đi lại giám trị các châu quận nước Nam.
Ý Mông cổ muốn biết nhân vật tài sản nước Nam ta có những gì, và học vấn xảo kỹ ra sao, để liệu đường mà đánh lấy cho tiện. Và tuy rằng quyền chính trị vẫn để cho vua nước Nam, nhưng đặt quan giám trị để dần dần lập thành Bảo hộ.
Thánh tông bề ngoài tuy vẫn chịu thần phục, nhưng trong bụng cũng biết rằng Mông cổ có ý đánh lấy nước mình, cho nên cứ tu binh dụng võ để phòng có ngày tranh chiến. Vậy tuyển đinh tráng các lộ làm lính, phân quân ngũ ra làm quân và đô: mỗi quân có 30 đô, mỗi đô có 80 người, bắt phải luyện tập luôn.
Năm bính dần (1266) nhân sứ Mông cổ sang, Thánh tông sai quan sang Tàu đáp lễ và xin đừng bắt nho sĩ, thầy bói, và các thợ thuyền sang cống. Vua Mông cổ ưng cho, nhưng bắt chịu 6 điều khác:
1. Vua phải thân vào chầu
2. Vua phải cho con hay là em sang làm tin
3. Biên sổ dân sang nộp
4. Phải chịu việc binh dịch
5. Phải nộp thuế má
Vua An nam cứ lần lữa không chịu. Đến năm tân mùi (1271) vua Mông cổ là Hốt tất liệt cải quốc hiệu là Đại nguyên, rồi cho sứ sang dụ Thánh tông sang chầu nhưng Thánh tông cáo bệnh không đi.
Năm sau Nguyên chủ cho sứ sang tìm cột đồng trụ của Mã Viện trồng ngày trước, nhưng Thánh tông sai quan sang nói rằng: cột ấy lâu ngày mất đi rồi, không biết đâu mà tìm nữa. Việc ấy cũng thôi.
Đến năm ất hợi (1275) Thánh tông sai sứ sang Tàu nói rằng: nước Nam không phải là nước Mường mán mà đặt quan giám trị, xin đổi quan Đại lỗ hoa xích làm quan Dẫn tiến sứ. Vua nhà Nguyên không cho, lại bắt theo 6 điều đã định trước. Thánh tông cũng không chịu. Tự đấy vua nhà Nguyên thấy dụng mưu không được, quyết ý cử binh sang đánh nước Nam, sai quan ở biên giới do thám địa thế nước ta. Bên An nam cũng đặt quan phòng bị.
Năm đinh sửu (1277) Thái thượng hoàng mất ở Thiên trường phủ (tức là làng Tức mạc). Năm sau (1278), Thánh tông nhường ngôi cho Thái tử Khâm, rồi về ở Thiên trường làm Thái thượng hoàng.
Thánh tông trị vì được 21 năm, làm Thái thượng hoàng được 13 năm, thọ 51 tuổi.