Toa Đô đóng quân ở Thiên trường xa cách Thoát Hoan hơn 200 dặm, cho nên chưa biết Thoát Hoan đã thua chạy về Bắc giang rồi, bèn tiến bình vào đóng ở sông Thiên mạc định để hợp sức với Thoát Hoan làm thế ỷ giốc. Được mấy hôm Toa Đô biết đạo tiền quân của mình đã bại trận, mà các bến thì chỗ nào cũng có quân nhà Trần án ngữ, mới lui về đóng ở Tây kết rồi cho người đi dò xem quân Thoát Hoan đóng ở đâu.
Quân An nam từ khi đánh được trận Hàm tử và trận Chương dương rồi, quân thế phấn chấn lắm. Hưng đạo vương mừng rỡ, vào tâu với Nhân tông xin một mặt sai Chiêu văn vương Trần nhật Duật, hợp với Thượng tướng Trần quang Khải dẫn quân chặn các đường, không cho Thoát Hoan, Toa Đô đi lại thông tin với nhau, và một mặt xin tự tiến binh ra đánh Toa Đô, rồi đánh Thoát Hoan.
Nhân tông nghe lời ấy, cho Hưng đạo vương tùy ý mà sai khiến. Khi quân ra đến Tây kết, Hưng đạo vương chia quân ra đánh trại quân Nguyên, và đặt phục binh để bắt Toa Đô.
Quân ta đánh hăng quá, quân Nguyên không địch nổi, Toa Đô và Ô mã Nhi đem binh lên bộ chạy ra mặt bể, nhưng khi chạy đến mé sau một dãy núi, thì bị quân An nam vây đánh, Toa Đô trúng tên chết, còn Ô mã Nhi thì tìm đường chạy vào Thanh hóa, nhưng bị quân ta đánh đuổi ngặt quá, phải một mình lẻn xuống chiếc thuyền con chạy ra bể, trốn về Tàu được.
Khi các tướng thắng trận, đưa đầu Toa Đô về nộp, Nhân tông thấy người dũng kiện mà lại hết lòng với chúa, mới than rằng: "Làm bầy tôi nên như người này!" rồi cởi áo ngự hào đắp vào đầu Toa Đô, sai quan dùng lễ mai táng cho tử tế.
Trận Tây kết đánh vào tháng năm, năm ất dậu (1285) quan quân bắt được quân Nguyên hơn 3 vạn người, và chiến thuyền khí giới không biết bao nhiêu mà kể. Hưng đạo vương được trận toàn thắng, mở tiệc khao thưởng ba quân, rồi lên đánh mặt bắc, để tiểu trừ Thoát Hoan.