lần thứ nhất
Trần Hưng Đạo trở thành võ quan nhà Trần lúc nào không rõ, chỉ biết vào tháng Chín (âm lịch) năm Đinh Tỵ (1257), ông giữ quyền "tiết chế" để chuẩn bị chống lại cuộc xâm lược của quân Nguyên Mông. Sách Đại Việt sử ký toàn thư chép: "Tháng 9 (1257), (Trần Thái Tông) xuống chiếu, lệnh cho tả hữu tướng quân đem quân thủy bộ ra ngăn giữ biên giới (phía Bắc) theo sự tiết chế của Trần Quốc Tuấn" .
Quân Mông Cổ bị đánh đuổi không lâu sau đó. Do hiềm khích giữa cha ông với gia đình Trần Thái Tông trước đây, sau khi đánh đuổi được quân Mông, ông vẫn giữ nguyên tước cũ và trở về thái ấp ở Vạn Kiếp. Còn con vua Thái Tông là hoàng tử Trần Quang Khải không lâu sau được phong tước Đại vương và thăng làm Thái úy.
Lần thứ hai
Tuy bị đánh bại nhưng Mông Cổ vẫn lớn mạnh ở phía bắc, thành lập nhà Nguyên và tiêu diệt Nam Tống vào năm 1279, tiếp giáp với biên giới Đại Việt. Trước sự bành trường của nhà Nguyên, nhà Trần đã đề phòng, chuẩn bị kháng cự. Trần Quốc Tuấn mở trường dạy võ, dạy con em hoàng tộc và những người tài giỏi trong nước. Ông thường đi khắp các lộ, kiểm soát các giảng võ đường địa phương, thu dụng nhiều người tài giỏi trong nước như Yết Kiêu, Dã Tượng, Phạm Ngũ Lão, Nguyễn Chế Nghĩa, Đỗ Hành....
Đầu năm 1277, Trần Thánh Tông thân chinh đánh các bộ tộc thiểu số ở động Nẫm Bà La (nay thuộc Quảng Bình). Trần Quang Khải đi theo, ghế tể tướng bỏ không, vừa lúc có sứ phương Bắc đến. Thượng hoàng Trần Thái Tông gọi Trần Quốc Tuấn tới, tỏ ý định lấy ông làm t.ư đồ để tiếp sứ phương Bắc. Trần Quốc Tuấn trả lời:
"Việc tiếp sứ giả, thần không dám từ chối, còn như phong thần làm t.ư đồ thì thần không dám vâng chiếu. Huống chi Quan gia đi đánh giặc xa, Quang Khải theo hầu mà bệ hạ lại tự ý phong chức, thì tình nghĩa trên dưới, e có chỗ chưa ổn, sẽ không làm vui lòng Quan gia và Quang Khải. Đợi khi xa giá trở về, sẽ xin vâng mệnh cũng chưa muộn".
Khi Thánh Tông trở về, việc ấy lại bỏ đấy, vì hai người vốn không ưa nhau.
Sau đó, Trần Quốc Tuấn chủ động gạt bỏ hiềm khích với Trần Quang Khải vì việc nước. Một hôm, Trần Hưng Đạo từ Vạn Kiếp tới, Trần Quang Khải xuống thuyền chơi suốt ngày mới trở về. Trần Quang Khải vốn sợ tắm gội, Trần Hưng Đạo thì thích tắm thơm, từng đùa bảo Trần Quang Khải: "Mình mẩy cáu bẩn, xin tắm giùm", rồi cởi áo Trần Quang Khải ra, dùng nước thơm tắm cho ông và nói: "Hôm nay được tắm cho Thượng tướng". Trần Quang Khải cũng nói: "Hôm nay được Quốc công tắm rửa cho". Từ đó, tình nghĩa qua lại giữa hai ông ngày càng tốt.
Đầu năm 1281, vua Nguyên Mông là Hốt Tất Liệt sai Sài Xuân đem ngàn quân hộ tống nhóm Trần Di Ái về nước. Sách Đại Việt sử ký toàn thư chép: "Sài Xuân ngạo mạn vô lễ, cưỡi ngựa đi thẳng vào cửa Dương Minh. Quân sĩ Thiên Trường ngăn lại, Xuân dùng roi ngựa quất họ bị thương ở đầu... Vua (Trần Nhân Tông) sai Trần Quang Khải đến sứ quán khoản tiếp. Xuân nằm khểnh không ra, Quang Khải vào hẳn trong phòng, hắn cũng không dậy tiếp. Hưng Đạo Vương Quốc Tuấn nghe thấy thế, tâu xin đến sứ quán xem Xuân làm gì. Lúc ấy Quốc Tuấn đã gọt tóc, mặc áo vải. Đến sứ quán, ông đi thẳng vào trong phòng. Xuân đứng dậy vái chào mời ngồi. Mọi người đều kinh ngạc, có biết đâu gọt tóc, mặc áo vải là hình dạng nhà sư phương Bắc. Ông ngồi xuống pha trà, cùng uống với hắn. Người hầu của Xuân cầm mũi tên đứng sau Quốc Tuấn, chọc vào đầu đến chảy máu, nhưng sắc mặt Quốc Tuấn vẫn không hề thay đổi. Khi trở về, Xuân ra cửa tiễn ông..."
Năm 1282, nhà Nguyên sai Toa Đô mang quân vượt biển đánh Chiêm Thành ở phía nam Đại Việt. Chiến tranh giữa Đại Việt với nhà Nguyên đến gần. Tháng Mười (âm lịch) năm 1283, để chuẩn bị kháng chiến lần hai, Trần Hưng Đạo được vua Trần Nhân Tông phong làm Quốc công Tiết chế thống lĩnh các lực lượng quân sự. Tháng Tám (âm lịch) năm sau (1284), ông cho duyệt quân ở bến Đông Bộ Đầu (gần dốc Hàng Than, Hà Nội ngày nay), đọc bài "Hịch tướng sĩ" nổi tiếng, rồi chia quân đóng giữ nơi hiểm yếu.
Đầu năm 1285, quân Nguyên Mông lại ào ạt tiến công vào phía bắc và vùng Thanh Hóa-Nghệ An. Những trận đánh chặn ở biên giới của nhà Trần thất bại, quân Trần bị tổn thất. Trần Hưng Đạo phải thu quân về Vạn Kiếp. Theo Đại Việt sử ký toàn thư, quân Trần đã tan vỡ; Trần Quốc Tuấn thoát được là nhờ có Yết Kiêu kiên quyết giữ thuyền đợi chủ tướng.
Thủy quân Nguyên do Ô Mã Nhi chỉ huy tấn công vào Vạn Kiếp, quân Nguyên vây quân của Trần Quốc Tuấn. Một trận thủy chiến lớn giữa 2 bên đã diễn ra. Vua Trần đã đem quân đến trợ chiến cho Trần Quốc Tuấn. Ô Mã Nhi đã không ngăn nổi quân Trần rút lui. Toàn bộ quân Trần rút khỏi Vạn Kiếp, Phả Lại, Bình Than về dàn trận bên bờ sông Hồng gần thành Thăng Long. Quân Nguyên tiến theo đường bộ về Thăng Long.. Để bảo toàn lực lượng và thực hiện kế "thanh dã" (vườn không nhà trống), Trần Hưng Đạo ra lệnh rút quân.
Quân xâm lược vào Thăng Long rồi tiến xuống Thiên Trường (vùng Nam Định) đuổi theo vua Trần. Vua Trần Thánh Tông lo ngại, vờ hỏi ông xem có nên hàng không. Ông khảng khái trả lời "Bệ hạ chém đầu tôi rồi hãy hàng".
Sau trận quân nhà Trần phản công quân Nguyên không thành và việc mặt trận Thanh-Nghệ bị tan vỡ (do sự phản bội của Trần Kiện), đại quân Trần chỉ lâm vào thế bị ép từ 2 mặt Bắc-Nam. Trần Hưng Đạo đưa thượng hoàng Trần Thánh Tông và vua Trần Nhân Tông rút về vùng bờ biển ở Quảng Ninh và Hải Phòng ngày nay, là nơi mà quân Nguyên chưa vươn tới. Trong hành trình rút lui, quân Trần bị quân Nguyên đuổi gấp. Trước thế quân Nguyên Mông bức bách, ông đưa hai vua Trần ngầm đi chiếc thuyền nhỏ đến Tam Trĩ nguyên (sông Ba Chẽ, thuộc tỉnh Quảng Ninh ngày nay), sai người đưa thuyền ngự ra Ngọc Sơn địch. Lúc ấy, xa giá nhà vua đang phiêu giạt, lại còn mối hiềm cũ của Trần Liễu, nên có nhiều người nghi ngại. Trần Quốc Tuấn theo vua, tay cầm chiếc gậy có bịt sắt nhọn. Mọi người đều gườm mắt nhìn. Trần Quốc Tuấn liền rút đầu sắt nhọn vứt đi, chỉ chống gậy không mà đi, bởi vậy hai vua Trần và mọi người khỏi nghi ngại.
Khi thấy đạo quân của Toa Đô đã rời Thanh Hóa tiến lên đóng ở Trường Yên (Ninh Bình), ngày 7 tháng 4 năm 1285, Trần Hưng Đạo lại đưa 2 vua Trần cùng đại quân vượt biển vào Thanh Hóa, thoát khỏi thế bị kìm kẹp của đối phương. Hàng loạt tông thất nhà Trần ra hàng quân Nguyên như hoàng tử Trần Ích Tắc, các hoàng thân Trần Lộng, Trần Kiện.
Tháng 5 (dương lịch) năm ấy (1285), ông vạch kế hoạch tổng phản công. Chỉ sau một tháng chiến đấu quyết liệt với quân Nguyên, các cánh quân Trần do Trần Hưng Đạo cùng các hoàng tử Trần Quang Khải, Trần Nhật Duật chỉ huy thắng lợi ở Hàm Tử, Chương Dương, Tây Kết, Vạn Kiếp,... quân dân nhà Trần đã tiến vào Thăng Long, hoàng tử Thoát Hoan nhà Nguyên bỏ chạy. Trần Hưng Đạo và Trần Tung dẫn hơn 2 vạn quân tấn công quân Nguyên ở bờ Bắc sông Hồng. Quân Nguyên đại bại rút chạy về phía Bắc. Quân Trần do con Trần Hưng Đạo là Trần Quốc Hiến (Trần Quốc Nghiễn) chỉ huy truy kích đến tận biên giới, quân Nguyên phải giấu Thoát Hoan trong ống đồng để chạy trốn. Trong cuộc chiến này, quân Trần giết được tướng Nguyên là Toa Đô và Lý Hằng.
Lần thứ ba
Cuối năm 1287, nhà Nguyên xâm lược lần thứ ba. Trần Nhân Tông hỏi ông: "Năm nay đánh giặc thế nào?". Trần Hưng Đạo đáp: "Năm nay đánh giặc nhàn". Lần này biết nhà Trần đã phòng bị ở Thanh - Nghệ, Thoát Hoan tiến thẳng vào từ phía bắc và đông bắc. Sau những cuộc đụng độ bất lợi ở biên giới, quân Trần rút lui. Khác với lần trước, Trần Hưng Đạo không bỏ kinh đô mà tổ chức phòng thủ ở Thăng Long. Tháng 2 năm 1288, quân Nguyên đánh thành, quân Trần nấp trong thành bắn tên đạn ra. Trần Quốc Tuấn sai Trần Cao vài lần đến trại Thoát Hoan xin giảng hoà, nhưng ban đêm thường kéo ra từng toán nhỏ đánh lén vào trại quân Nguyên, đốt phá lương thực rồi rút lui. Thoát Hoan điều quân ra ngoài truy kích, nhưng quân Trần thường ẩn nấp khó phát hiện ra. Quân Nguyên bao vây tấn công vài lần không có kết quả, cuối cùng phải rút lui.
Trong khi đó, đoàn thuyền lương quân Nguyên do Trương Văn Hổ chỉ huy bị Trần Khánh Dư chặn đánh tiêu diệt ở Vân Đồn. Thoát Hoan bỏ Thăng Long về hành dinh Vạn Kiếp. Do bị thiếu lương và bệnh dịch, Thoát Hoan buộc phải rút lui, một ngả của thủy quân do Ô Mã Nhi và Phàn Tiếp chỉ huy, một ngả của bộ binh do Thoát Hoan chỉ huy. Trần Hưng Đạo bố trí lực lượng mai phục ở cửa sông Bạch Đằng trực tiếp tổ chức chiến trường tiêu diệt toàn bộ binh thuyền của Ô Mã Nhi vào tháng t.ư (âm lịch) năm Mậu Tý (1288), bắt sống Ô Mã Nhi, Phàn Tiếp và Tích Lệ Cơ. Thoát Hoan dẫn quân bộ tháo chạy theo đường Lạng Sơn, dọc đường bị quân Việt đón đánh khiến "quân sĩ mười phần, tổn hại mất 5, 8 phần".
