Năm 1288, quân Nguyên trở lại xâm lược Đại Việt lần thứ ba. Khi tiếp tục được phong Quốc công tiết chế; Hưng Đạo vương khẳng định với vua Trần Nhân Tông: "Năm nay đánh giặc nhàn". Ông đã áp dụng thành công chiến thuật của Ngô Quyền, đánh bại hoàn toàn thủy quân nhà Nguyên do các tướng Phàn Tiếp và Ô Mã Nhi chỉ huy trong trận thủy chiến trên sông Bạch Đằng, buộc quân Nguyên lại phải rút về nước, và vĩnh viễn đặt tham vọng thôn tính phương Nam của họ. Tháng 4 âm lịch năm 1289, Trần Nhân Tông chính thức gia phong ông làm "Đại vương" dù chức quyền đứng đầu triều đình khi đó vẫn thuộc về Thượng tướng Thái sư Chiêu Minh Đại vương Trần Quang Khải.

Sau đó, ông lui về Vạn Kiếp đến khi mất năm 1300. Trước lúc lâm chung, ông khuyên Trần Anh Tông: "Phải khoan thư sức dân để làm kế sâu rễ bền gốc". Ngoài ra, ông còn để lại các tác phẩm kinh điển như Hịch tướng sĩ, Binh thư yếu lược và Vạn Kiếp tông bí truyền thư đặt nền móng cho nghệ thuật quân sự Việt Nam kể từ thời Trần đến tận ngày nay.