張弘範在五坡嶺擒住文天祥後，一面逼他投降，一面率大小戰船５００艘、兵力約兩萬人，從海面追剿宋幼帝趙昺。至甲子門時，從抓獲的宋軍處得知宋主在厓山，遂率領３００艘戰船向厓山急駛，途中竟然有２００艘因航行迷失方向，厓門海戰正式打響。
厓山位於今天廣東新會縣南近海一個大島南端，北扼海港，南控大海，西與湯瓶山夾銀洲湖（今新會南）對峙如門，是不規則的半日潮侵襲之地。 “每大風南起，水從海外排闥而入，怒濤奔突，浪湧如山”，半日皆有潮。島上樹木蒼翠，松柏茂密。
此時，張世傑尚有兵力約20萬，戰船千多艘，聽到文天祥被拘，大驚道：“文丞相如何會被拘？這是老天有意喪吾右臂了。”說罷，垂淚不已，當下群臣便商議起對策。
蘇劉義首先說道：“元軍長途跋涉而來，兵少艦大，又水道生疏，船工難掌握進退。元軍大多北方人，不利水戰，我軍宜一鼓作氣，趁他們初到未集結就迎頭痛擊，肯定取勝。”
張世傑說道：“元軍乘得勝之師，進攻勇猛，非我部能擋。不若兩宮仍舊暫駐舟中以備不測。”此時，皇太妃因見外無一援，也知大勢已危，只得與敵決死戰了，於是便從了張世傑。
張達說道：“如果元軍以戰船塞住厓門出海口，那麼我軍就不能進退。應先佔據這個地方迎敵！幸而取勝，是國家的福氣；即不幸而敗，猶可西走。”
張世傑說道：“我部已久戰海上，士卒離心，大軍一走，則士卒必散。故我部宜全部退於海上，用大鐵索把'黃鵠'、'白鷂'等大小戰船連結起來，作'一字陣'，東西向橫跨厓海，鎖住江面。我軍戰艦船尾高於船頭，那我們就將船頭向內，船尾向外，以便居高臨下作戰；艦陣四邊築起木柵樓棚，形成了一座龐大的水中城堡，皇上及文臣等皆居在其中，由士卒日夜披堅執銳防守保護，便可萬無一失。”
眾將一聽，又是採用焦山防守的老辦法，所以大多不贊同，紛紛說：“敵人一旦火攻，我軍將奈何？”
張世傑說道：“我有辦法！我們可用泥塗了船艦，縛長木桿頂拒敵人火船，船上撤出旗幔帆檣，即使他有火箭也無可奈何！況且我部連年竄奔海上，何時是個頭呀，不如趁此與元軍決一勝負，勝則國家之福，敗了就同歸於盡吧！”
眾人看到他如此說，便也不好再說什麼。
看看眾人不說話，張世傑緩和了口氣說道：“防禦還是必要的。海口地帶因潮勢兇猛，不便大軍駐紮，可派一千隻中等戰艦把守，大軍要在兩旁山腳下依山泊住防守，嚴密監視敵軍；另派一千巡遊艦終日在圍外巡遊，如此便可無憂了。”
眾將皆同意這個辦法。
於是，群臣便備好了鑾輿，收拾后宮珠寶並宮嬪，數十輛大輿小車重新移駐舟中。
張世傑見兩宮起行後，便命手下親兵圍著行宮，四面放起火來，忽忽烈烈，登時把個行宮燒得乾乾淨淨，成了一片瓦礫之場，然後才回到舟中。張世傑進艙見過帝昺，群臣皆驚問道：“你為何把行宮燒了？”張世傑卻從容答道：“不燒留著它又有何用？此次我們勝利了，我軍將奮勇追殺，還擔心無行宮；如果我們不能取勝，此地也不易防守，這行宮難道還可駐蹕不成？況且不燒則將士之心不死，安能與敵決死戰呢？”群臣皆默嘆不已。
於是，整個船隊退出海岸十多里，然後按照張世傑的辦法行事。
卻說張弘範此時因追得急切，等到此地時，僅有戰船五十餘艘，將士一萬餘人。幾日後，其餘兩百多艘才匆匆趕到。張弘範來到厓山山口，一看便知這海口利害，便令張弘正領了三十隻小舟先進口去探聽。張弘正領令去了，不久便失魂落魄而歸，身邊只有六七隻小船。原來他們剛到海口，就被守衛海口的宋軍截住，一番廝殺，張弘正才奪路逃回中軍，其餘全部被厓山兩側的守兵連船帶人截去了。
張弘範聽了，低頭半晌，思考破敵之策，忽然眉頭一展，計上心來，傳令三軍將戰艦擺成燕尾陣，在厓山外面泊定了，又向各軍中暗暗傳了號令。等到三更時分潮水初興的時候，只聽得一聲號砲，兩行戰艦乘著潮勢，一齊衝進海口來。那守海口的宋軍見元軍來勢兇猛，便一擁齊上，捨命接戰。無奈此時元軍是順著潮勢，宋軍逆潮而戰，本已吃虧；再加上元軍戰船都是大海船，與這些大海船相比，宋軍的小艦更是無便宜可賺；那元軍一沖進口來，又不肯和宋軍接戰，只是橫衝直闖，如蒙古人打獵一般，只顧順潮而進，待繞過宋艦，前段又把陣勢變換成人字陣，竟然一下子把宋軍那守海口的戰艦一齊包進來，裹在重圍中了。宋軍艦隻被撞沉了不少，如今又被他們包圍，從上而下，一陣箭雨炮石，把個宋軍殺得乾乾淨淨，無一倖存者，那一千戰艦便皆歸元軍所有了。
此時，張世傑雖接到救援，但無奈大船連接，無法出戰，巡邏艦艇太小，不便於迎戰大敵，便只得隨他去了，只令軍士嚴守，不可走動。
經過幾天的休整，看看餘部都已到齊，張弘範便揮軍從東面繞過去，轉到南面厓門海口進入，與宋軍交鋒，作“長蛇陣”搏擊宋軍的“一字陣”。同時，悄悄地運載砲兵在厓山上結營寨，從山上營寨用砲轟擊宋帝艦，但遠距離攻擊難奏效，宋艦堅固不可動；張弘範又用火攻，用小船裝滿茅草，淋上膏油，順北風沖向宋陣，想勾住宋艦縱火，企圖一舉燒毀宋軍連環船陣，同時派出強弩箭手用火箭射擊。但張世傑早防著這一手，戰船外部用海泥塗擦，火燒不著，前哨的船還縛有長木桿，頂住縱火的船隻無法靠近，又懸掛很多水筒用來滅火。張弘範的火攻不能得逞，他一時也無可奈何，戰鬥處在相持不下狀態。
張弘範改用攻心戰和誘降計。張世傑過去曾是張弘範父親張柔手下的軍士，其時外甥韓新還在元軍中。張弘範派韓新到宋營勸舅父歸降。三次招降都被堅決拒絕，最後張世傑實在忍無可忍，用手指著韓新的鼻子怒罵：“我知道投降可以苟全性命，可以榮華富貴，但人可以不顧節義嗎？你告訴張弘範，說我是個漢人，我抱定了要為宋殉國的決心，絕不會像他一般苟且偷生！”羞愧得韓新無地自容，悻悻而去。張弘範又轉到文天祥身上打主意，企圖一箭雙雕，既誘使文天祥歸降，又利用文丞相在宋軍中的威望，瓦解宋軍。他派李恆勸文天祥修書給張世傑，促其早日歸降。但文天祥不寫，並義正辭嚴地說：“我無法拯救我的父母（指宋王朝），難道能教人背叛自己的父母嗎？”一定要他寫，就憤然拿起叫他修降書的紙筆，把被押在船上經過珠江口零丁洋時所作的詩歌，那首流芳人間的《七律·過零丁洋》寫了出來：
此詩充分錶達了文天祥視死如歸的英雄氣概。張弘範看了只得苦笑而止，還稱“好人好詩”。
元軍又在船上大聲向宋方士民喊話，說你們的陳宜中丞相潛逃（指１２７７年十一月陳宜中到占城不返），文天祥丞相被俘，不投降還待何時！負隅頑抗唯有死路一條！宋陣不受蠱惑，士民無人叛變，終日堅守不動，元軍也無計可施。
此時，元軍增援的戰船陸續到達厓山海面。李恆也從廣州領兵沿水路趕來，元軍力量大增。這晚張弘範又一次帶領眾將登臨厓山，他們細察潮勢高低漲落，商討破敵策略。
李恆說：“元帥，我們何不切斷宋軍'樵汲路'，斬斷他們的淡水供應，這樣不用幾日便可讓他們不戰自潰？”
張弘範說道：“我軍戰艦都是大海船，吃水線深，一旦落潮，便在此擱淺。敵軍趁退潮我軍撤退時進出，所以對之無可奈何。”
李恆說：“哎呀，這個問題好辦。這次我帶的一百多艘戰艦當中，有五十多艘是'拔都'船（哨船），作戰快速靈活，定能成功切斷宋軍艦隻通厓山的柴草和淡水供應。”
張弘範一聽大喜，立刻吩咐李恆馬上照辦。忽又心生一計，召集眾將如此這般安排一番，眾將大喜，各自回船依計行事。
自此便見元軍有五十多艘哨船駐紮在宋軍與厓山之間，切斷了宋軍的汲水之路；又見張弘正領著一軍守住海口，以絕宋軍運糧之路；每日飯間還要軍士用濕氈、布幕遮掩船體，開宴大飲，細樂齊奏，似乎要在這兒長期駐守一樣；不時又遣一隊小軍鳴金擂鼓衝過來，宋軍急準備接戰時，他卻又迴轉去了，如此一連相持了十餘日。
這一圍困，卻慌了張世傑。
原來，張世傑屯兵海上，雖貯備了半年糧食，但這淡水卻是不能多存的。十多日過去了，軍士吃水成了大問題。原先每日派人從厓山北面小河處汲水保障供用，現在讓張弘範斷了，有李恆帶重兵把守，軍中一下子鬧起了水荒。要知道，海上有水便有了生命的希望，十多萬的將士，沒有水怎麼成呀？將士們只能口乾舌燥，幹口吞吃乾糧了。
張弘範也不煩躁，只是每日在營中擺宴奏樂。
這可苦了宋軍將士，他們吞吃乾糧十餘日，口乾舌躁，許多士兵以海水解渴，臉部浮腫，上嘔下泄，只瀉得眾士卒一個個筋疲骨軟，氣力全無。看看無法，張世傑只得派出蘇劉義、方興帶領軍士搶水，卻不料被李恆大軍一頓掩殺，死傷無數。
二月初一，宋軍統制陳寶被迫投降。看看圍困得差不多了，四日張弘範召開了戰前參謀會，會上眾將集思廣益，共商破敵之策。
張弘範首先說：“本帥擬明日出戰，這次作戰，我軍擬採用'甕中捉鱉'之策略，要宋軍無路可走，就地殲滅，以盡快完成全殲的任務。”
張弘正說：“那就四麵包圍，抓住他們連在一起、不能製動這一點，四面出擊，用砲猛轟！”
幾個將領表示贊同。
張弘範說：“一旦大砲打破艦陣，敵軍就會四散逃散，這樣就不利於我軍就地殲滅的宗旨，所以我主張還是以船對船、面對面攻打。”
李恆說道：“雖然我們已經圍敵，但宋軍可以隨潮水上下進退，所以我軍最適宜急攻，不然，對方亦可乘大風大潮逃遁，我軍將勞而無功。”
張弘範說：“這個好說，我們前一階段之所以中午吃飯奏樂，懸掛帷幕、濕氈，就在於此。我們這次發動總攻不以炮聲為號，而是以歌聲為號，笙蕭嘹亮，即為總攻，這樣便可麻痺敵軍，保證發起進攻的突然性。”
“好！”眾將應道。
最後，張弘範依次佈陣。 “李恆將軍帶本部艦隻負責從北面及西北面發起進攻；張弘正率艦隊兵分兩路，從南面和西南面發起進攻；呂師夔與阿爾哈雅兩軍合為一隊，從東面發起攻擊。而我軍進攻的重點放在南方。這是因為一來是藉助迅猛的漲潮來重點擊破，二來防備宋軍從海口再逃亡。所以宋軍要急攻，切勿讓他們跑掉。此方向將由我親自迎戰！違令者斬。”
參謀會直到深夜才開完，這時天空下起了小雨，陰雲滿天，有一股黑氣出現在山的西面，張弘範笑哈哈地說道：“此乃吉兆也！”
次日黎明，李恆一部便乘早潮退，順流南攻，張世傑在舟中見了大驚，看看那久無飲水的戰士一個個虛脫，一個個神凋氣喪，骨軟筋疲，坐在那裡頭暈眼花，卻如何好叫他們去接戰呢？沒奈何，只得抽出利劍，督促這些已經蔫了的士卒做殊死抵抗，雙方猛烈的砲火和密集的弓箭掩蓋了天空。李恆命令將艦尾倒轉過來，對著宋軍逆行而來，艦尾高，利於士兵憑高戰鬥。又事先在艦尾設置射柵，上面部署七八名射手放箭。雙發激戰一上午，旗鼓相當，都沒有賺到便宜。
中午海潮大漲，李恆的戰船被大潮向後推，由於宋軍的嚴密抵擋，元軍無法前進，進攻稍有停頓。但是，張弘正乘漲潮從南面一路衝殺過來。張世傑急忙從北面抽調兵力救援南面。張弘正與李恆實行南北輪番夾攻，宋軍腹背受敵，疲勞應對，然而戰鬥更加英勇，看看已過中午，張弘範便鳴金收兵，兩軍齊齊整隊而退，元軍升起布幕、濕氈遮掩船體。
張世傑還恐元軍要來攻，便忙令軍士速速傳午餐，一面留心防元軍乘午餐無備來攻圍。少頃，午正潮生，只聽得張弘範軍中傳出陣陣樂聲，張世傑心神這才一鬆。眾軍士也是聽慣了，曉得是張弘範午宴了，大家便放心吃午飯。
但樂聲即是張弘範預先約定全面出擊的總攻信號。當宋軍吃得正興之時，忽聽樂聲高亢，笙蕭嘹亮。忽見元軍四路大軍突然撤去遮障，戰船乘潮向宋營廝殺過來，霎時弓弩火石齊發。可憐宋軍眾將士只慌得拋碗擲箸，摸刀索槍來迎戰。無奈這次元軍的來勢，卻比前次兇猛得多了，那些軍士皆衝鋒冒刃，紛紛捨命跳過宋軍戰艦來與宋軍廝殺。霎時，炮聲、喊殺聲震天，鼓譟聲、哀號聲、慘叫聲、浪潮聲與弓箭聲、刀槍劍擊聲交織在一起，灰濛蒙的厓海上弓弩、石炮、火砲齊發，矢石紛飛，煙霧瀰漫。被押在元軍船上觀戰的文天祥，目睹這場觸目驚心、悲壯激烈的大海戰的全過程，寫下詩歌《二月六日海上大戰，國事不濟，孤臣天祥坐北舟中，向南慟哭，為之詩》，其中這樣描述當時情景：
正當兩軍激戰時，忽然，不知誰大喊一聲：“你們張元帥已死了，你們還不投降，等待何時？”接著便聽見元軍處處大喊。宋軍將士聽了，不知虛實，只嚇得魂飛魄散，措手不及，皆被元兵紛紛殺死海中去了，也有膽小的便自己投海身死。
卻說帝昺和各文臣的大舟正在中軍前面，皇太妃和宮嬪的大舟是在中軍的後隊。當下陸秀夫見元兵已迫近帝昺的大舟，那大舟偏又是一排五百隻連鎖住，一時解不開，要逃走也來不及。陸秀夫沒奈何，只得連忙威迫自己妻子跳入海中死了，自己卻兩步作一步地跑上帝舟，搶進中艙，抱起年僅八歲的趙昺投海殉國。后宮中不少人也跟著腰纏財寶跳海自殺，大臣紛紛殉難。
張世傑找不到帝昺，只好與蘇劉義父子等砍斷連結戰船的大鐵索，率領１６隻大船，護著楊太后等，乘昏霧和混亂突圍，衝出厓門口逃去。
當天的戰鬥非常殘酷，《宋史》記載：七日後，十餘萬俱屍體浮海。
幾日後，張世傑奉楊太后令返回厓山，招集沿海失散兵士，打算重整旗鼓。又向楊太后提出要趙氏後人立君，太后知道帝昺已死，無法抑制悲痛，手掩胸口大哭：“奴所以數年忍死飄流至此者，正為趙氏一塊肉尚在耳，今無望矣！”於是趁人不備，也跳海身亡。倉促之時，張世傑將她草草葬在厓山海濱。
蘇劉義等見帝昺和楊太后都死了，便齊向張世傑問計。張世傑便計劃到占城，再圖謀復興。不久船遇颶風，張世傑等也在大風雨下溺死於平章山下（約今廣東省陽江市西南的海陵島對面海域）。
張弘範在剿滅張世傑回師時，在厓山刻石標記：“大元張弘範滅宋於此！”以表其功，至今仍在。
此役，是元朝滅亡南宋的最後一役。這次戰役，元軍採用控扼海口，斷其水道；四面合圍，巧妙利用海潮進攻；以及用歌聲為號，麻痺宋軍，然後突然發動進攻的戰術，取得了以少勝多的戰績。宋軍怕分兵扼海口，軍心渙散，坐失地利，加之囿於專守不攻的戰法，又坐失有利戰機，招致慘敗。