张弘范在五坡岭擒住文天祥后，一面逼他投降，一面率大小战船５００艘、兵力约两万人，从海面追剿宋幼帝赵昺。至甲子门时，从抓获的宋军处得知宋主在厓山，遂率领３００艘战船向厓山急驶，途中竟然有２００艘因航行迷失方向，厓门海战正式打响。
厓山位于今天广东新会县南近海一个大岛南端，北扼海港，南控大海，西与汤瓶山夹银洲湖（今新会南）对峙如门，是不规则的半日潮侵袭之地。“每大风南起，水从海外排闼而入，怒涛奔突，浪涌如山”，半日皆有潮。岛上树木苍翠，松柏茂密。
此时，张世杰尚有兵力约20万，战船千多艘，听到文天祥被拘，大惊道：“文丞相如何会被拘？这是老天有意丧吾右臂了。”说罢，垂泪不已，当下群臣便商议起对策。
苏刘义首先说道：“元军长途跋涉而来，兵少舰大，又水道生疏，船工难掌握进退。元军大多北方人，不利水战，我军宜一鼓作气，趁他们初到未集结就迎头痛击，肯定取胜。”
张世杰说道：“元军乘得胜之师，进攻勇猛，非我部能挡。不若两宫仍旧暂驻舟中以备不测。”此时，皇太妃因见外无一援，也知大势已危，只得与敌决死战了，于是便从了张世杰。
张达说道：“如果元军以战船塞住厓门出海口，那么我军就不能进退。应先占据这个地方迎敌！幸而取胜，是国家的福气；即不幸而败，犹可西走。”
张世杰说道：“我部已久战海上，士卒离心，大军一走，则士卒必散。故我部宜全部退于海上，用大铁索把‘黄鹄’、‘白鹞’等大小战船连结起来，作‘一字阵’，东西向横跨厓海，锁住江面。我军战舰船尾高于船头，那我们就将船头向内，船尾向外，以便居高临下作战；舰阵四边筑起木栅楼棚，形成了一座庞大的水中城堡，皇上及文臣等皆居在其中，由士卒日夜披坚执锐防守保护，便可万无一失。”
众将一听，又是采用焦山防守的老办法，所以大多不赞同，纷纷说：“敌人一旦火攻，我军将奈何？”
张世杰说道：“我有办法！我们可用泥涂了船舰，缚长木杆顶拒敌人火船，船上撤出旗幔帆樯，即使他有火箭也无可奈何！况且我部连年窜奔海上，何时是个头呀，不如趁此与元军决一胜负，胜则国家之福，败了就同归于尽吧！”
众人看到他如此说，便也不好再说什么。
看看众人不说话，张世杰缓和了口气说道：“防御还是必要的。海口地带因潮势凶猛，不便大军驻扎，可派一千只中等战舰把守，大军要在两旁山脚下依山泊住防守，严密监视敌军；另派一千巡游舰终日在围外巡游，如此便可无忧了。”
众将皆同意这个办法。
于是，群臣便备好了銮舆，收拾后宫珠宝并宫嫔，数十辆大舆小车重新移驻舟中。
张世杰见两宫起行后，便命手下亲兵围着行宫，四面放起火来，忽忽烈烈，登时把个行宫烧得干干净净，成了一片瓦砾之场，然后才回到舟中。张世杰进舱见过帝昺，群臣皆惊问道：“你为何把行宫烧了？”张世杰却从容答道：“不烧留着它又有何用？此次我们胜利了，我军将奋勇追杀，还担心无行宫；如果我们不能取胜，此地也不易防守，这行宫难道还可驻跸不成？况且不烧则将士之心不死，安能与敌决死战呢？”群臣皆默叹不已。
于是，整个船队退出海岸十多里，然后按照张世杰的办法行事。
却说张弘范此时因追得急切，等到此地时，仅有战船五十余艘，将士一万余人。几日后，其余两百多艘才匆匆赶到。张弘范来到厓山山口，一看便知这海口利害，便令张弘正领了三十只小舟先进口去探听。张弘正领令去了，不久便失魂落魄而归，身边只有六七只小船。原来他们刚到海口，就被守卫海口的宋军截住，一番厮杀，张弘正才夺路逃回中军，其余全部被厓山两侧的守兵连船带人截去了。
张弘范听了，低头半晌，思考破敌之策，忽然眉头一展，计上心来，传令三军将战舰摆成燕尾阵，在厓山外面泊定了，又向各军中暗暗传了号令。等到三更时分潮水初兴的时候，只听得一声号炮，两行战舰乘着潮势，一齐冲进海口来。那守海口的宋军见元军来势凶猛，便一拥齐上，舍命接战。无奈此时元军是顺着潮势，宋军逆潮而战，本已吃亏；再加上元军战船都是大海船，与这些大海船相比，宋军的小舰更是无便宜可赚；那元军一冲进口来，又不肯和宋军接战，只是横冲直闯，如蒙古人打猎一般，只顾顺潮而进，待绕过宋舰，前段又把阵势变换成人字阵，竟然一下子把宋军那守海口的战舰一齐包进来，裹在重围中了。宋军舰只被撞沉了不少，如今又被他们包围，从上而下，一阵箭雨炮石，把个宋军杀得干干净净，无一幸存者，那一千战舰便皆归元军所有了。
此时，张世杰虽接到救援，但无奈大船连接，无法出战，巡逻舰艇太小，不便于迎战大敌，便只得随他去了，只令军士严守，不可走动。
经过几天的休整，看看余部都已到齐，张弘范便挥军从东面绕过去，转到南面厓门海口进入，与宋军交锋，作“长蛇阵”搏击宋军的“一字阵”。同时，悄悄地运载炮兵在厓山上结营寨，从山上营寨用炮轰击宋帝舰，但远距离攻击难奏效，宋舰坚固不可动；张弘范又用火攻，用小船装满茅草，淋上膏油，顺北风冲向宋阵，想勾住宋舰纵火，企图一举烧毁宋军连环船阵，同时派出强弩箭手用火箭射击。但张世杰早防着这一手，战船外部用海泥涂擦，火烧不着，前哨的船还缚有长木杆，顶住纵火的船只无法靠近，又悬挂很多水筒用来灭火。张弘范的火攻不能得逞，他一时也无可奈何，战斗处在相持不下状态。
张弘范改用攻心战和诱降计。张世杰过去曾是张弘范父亲张柔手下的军士，其时外甥韩新还在元军中。张弘范派韩新到宋营劝舅父归降。三次招降都被坚决拒绝，最后张世杰实在忍无可忍，用手指着韩新的鼻子怒骂：“我知道投降可以苟全性命，可以荣华富贵，但人可以不顾节义吗？你告诉张弘范，说我是个汉人，我抱定了要为宋殉国的决心，绝不会像他一般苟且偷生！”羞愧得韩新无地自容，悻悻而去。张弘范又转到文天祥身上打主意，企图一箭双雕，既诱使文天祥归降，又利用文丞相在宋军中的威望，瓦解宋军。他派李恒劝文天祥修书给张世杰，促其早日归降。但文天祥不写，并义正辞严地说：“我无法拯救我的父母（指宋王朝），难道能教人背叛自己的父母吗？”一定要他写，就愤然拿起叫他修降书的纸笔，把被押在船上经过珠江口零丁洋时所作的诗歌，那首流芳人间的《七律·过零丁洋》写了出来：
辛苦遭逢起一经，干戈寥落四周星。
山河破碎风飘絮，身世浮沉雨打萍，
惶恐滩头说惶恐，零丁洋里叹零丁。
人生自古谁无死？留取丹心照汗青！
此诗充分表达了文天祥视死如归的英雄气概。张弘范看了只得苦笑而止，还称“好人好诗”。
元军又在船上大声向宋方士民喊话，说你们的陈宜中丞相潜逃（指１２７７年十一月陈宜中到占城不返），文天祥丞相被俘，不投降还待何时！负隅顽抗唯有死路一条！宋阵不受蛊惑，士民无人叛变，终日坚守不动，元军也无计可施。
此时，元军增援的战船陆续到达厓山海面。李恒也从广州领兵沿水路赶来，元军力量大增。这晚张弘范又一次带领众将登临厓山，他们细察潮势高低涨落，商讨破敌策略。
李恒说：“元帅，我们何不切断宋军‘樵汲路’，斩断他们的淡水供应，这样不用几日便可让他们不战自溃？”
张弘范说道：“我军战舰都是大海船，吃水线深，一旦落潮，便在此搁浅。敌军趁退潮我军撤退时进出，所以对之无可奈何。”
李恒说：“哎呀，这个问题好办。这次我带的一百多艘战舰当中，有五十多艘是‘拔都’船（哨船），作战快速灵活，定能成功切断宋军舰只通厓山的柴草和淡水供应。”
张弘范一听大喜，立刻吩咐李恒马上照办。忽又心生一计，召集众将如此这般安排一番，众将大喜，各自回船依计行事。
自此便见元军有五十多艘哨船驻扎在宋军与厓山之间，切断了宋军的汲水之路；又见张弘正领着一军守住海口，以绝宋军运粮之路；每日饭间还要军士用湿毡、布幕遮掩船体，开宴大饮，细乐齐奏，似乎要在这儿长期驻守一样；不时又遣一队小军鸣金擂鼓冲过来，宋军急准备接战时，他却又回转去了，如此一连相持了十余日。
这一围困，却慌了张世杰。
原来，张世杰屯兵海上，虽贮备了半年粮食，但这淡水却是不能多存的。十多日过去了，军士吃水成了大问题。原先每日派人从厓山北面小河处汲水保障供用，现在让张弘范断了，有李恒带重兵把守，军中一下子闹起了水荒。要知道，海上有水便有了生命的希望，十多万的将士，没有水怎么成呀？将士们只能口干舌燥，干口吞吃干粮了。
张弘范也不烦躁，只是每日在营中摆宴奏乐。
这可苦了宋军将士，他们吞吃干粮十余日，口干舌躁，许多士兵以海水解渴，脸部浮肿，上呕下泄，只泻得众士卒一个个筋疲骨软，气力全无。看看无法，张世杰只得派出苏刘义、方兴带领军士抢水，却不料被李恒大军一顿掩杀，死伤无数。
二月初一，宋军统制陈宝被迫投降。看看围困得差不多了，四日张弘范召开了战前参谋会，会上众将集思广益，共商破敌之策。
张弘范首先说：“本帅拟明日出战，这次作战，我军拟采用‘瓮中捉鳖’之策略，要宋军无路可走，就地歼灭，以尽快完成全歼的任务。”
张弘正说：“那就四面包围，抓住他们连在一起、不能制动这一点，四面出击，用炮猛轰！”
几个将领表示赞同。
张弘范说：“一旦大炮打破舰阵，敌军就会四散逃散，这样就不利于我军就地歼灭的宗旨，所以我主张还是以船对船、面对面攻打。”
李恒说道：“虽然我们已经围敌，但宋军可以随潮水上下进退，所以我军最适宜急攻，不然，对方亦可乘大风大潮逃遁，我军将劳而无功。”
张弘范说：“这个好说，我们前一阶段之所以中午吃饭奏乐，悬挂帷幕、湿毡，就在于此。我们这次发动总攻不以炮声为号，而是以歌声为号，笙萧嘹亮，即为总攻，这样便可麻痹敌军，保证发起进攻的突然性。”
“好！”众将应道。
最后，张弘范依次布阵。“李恒将军带本部舰只负责从北面及西北面发起进攻；张弘正率舰队兵分两路，从南面和西南面发起进攻；吕师夔与阿尔哈雅两军合为一队，从东面发起攻击。而我军进攻的重点放在南方。这是因为一来是借助迅猛的涨潮来重点击破，二来防备宋军从海口再逃亡。所以宋军要急攻，切勿让他们跑掉。此方向将由我亲自迎战！违令者斩。”
参谋会直到深夜才开完，这时天空下起了小雨，阴云满天，有一股黑气出现在山的西面，张弘范笑哈哈地说道：“此乃吉兆也！”
次日黎明，李恒一部便乘早潮退，顺流南攻，张世杰在舟中见了大惊，看看那久无饮水的战士一个个虚脱，一个个神凋气丧，骨软筋疲，坐在那里头晕眼花，却如何好叫他们去接战呢？没奈何，只得抽出利剑，督促这些已经蔫了的士卒做殊死抵抗，双方猛烈的炮火和密集的弓箭掩盖了天空。李恒命令将舰尾倒转过来，对着宋军逆行而来，舰尾高，利于士兵凭高战斗。又事先在舰尾设置射栅，上面部署七八名射手放箭。双发激战一上午，旗鼓相当，都没有赚到便宜。
中午海潮大涨，李恒的战船被大潮向后推，由于宋军的严密抵挡，元军无法前进，进攻稍有停顿。但是，张弘正乘涨潮从南面一路冲杀过来。张世杰急忙从北面抽调兵力救援南面。张弘正与李恒实行南北轮番夹攻，宋军腹背受敌，疲劳应对，然而战斗更加英勇，看看已过中午，张弘范便鸣金收兵，两军齐齐整队而退，元军升起布幕、湿毡遮掩船体。
张世杰还恐元军要来攻，便忙令军士速速传午餐，一面留心防元军乘午餐无备来攻围。少顷，午正潮生，只听得张弘范军中传出阵阵乐声，张世杰心神这才一松。众军士也是听惯了，晓得是张弘范午宴了，大家便放心吃午饭。
但乐声即是张弘范预先约定全面出击的总攻信号。当宋军吃得正兴之时，忽听乐声高亢，笙萧嘹亮。忽见元军四路大军突然撤去遮障，战船乘潮向宋营厮杀过来，霎时弓弩火石齐发。可怜宋军众将士只慌得抛碗掷箸，摸刀索枪来迎战。无奈这次元军的来势，却比前次凶猛得多了，那些军士皆冲锋冒刃，纷纷舍命跳过宋军战舰来与宋军厮杀。霎时，炮声、喊杀声震天，鼓噪声、哀号声、惨叫声、浪潮声与弓箭声、刀枪剑击声交织在一起，灰蒙蒙的厓海上弓弩、石炮、火炮齐发，矢石纷飞，烟雾弥漫。被押在元军船上观战的文天祥，目睹这场触目惊心、悲壮激烈的大海战的全过程，写下诗歌《二月六日海上大战，国事不济，孤臣天祥坐北舟中，向南恸哭，为之诗》，其中这样描述当时情景：
楼船千艘下天角，两雄相遭争奋搏。
古来何代无战争，未有锋猬交沧溟。
游兵日来复日往，相持一月为鹬蚌。
南人志欲扶昆仑，北人气欲黄河吞。
一朝天昏风雨恶，炮火雷飞箭星落。
谁雌谁雄顷刻分，流尸漂血洋水浑。
正当两军激战时，忽然，不知谁大喊一声：“你们张元帅已死了，你们还不投降，等待何时？”接着便听见元军处处大喊。宋军将士听了，不知虚实，只吓得魂飞魄散，措手不及，皆被元兵纷纷杀死海中去了，也有胆小的便自己投海身死。
却说帝昺和各文臣的大舟正在中军前面，皇太妃和宫嫔的大舟是在中军的后队。当下陆秀夫见元兵已迫近帝昺的大舟，那大舟偏又是一排五百只连锁住，一时解不开，要逃走也来不及。陆秀夫没奈何，只得连忙威迫自己妻子跳入海中死了，自己却两步作一步地跑上帝舟，抢进中舱，抱起年仅八岁的赵昺投海殉国。后宫中不少人也跟着腰缠财宝跳海自杀，大臣纷纷殉难。
张世杰找不到帝昺，只好与苏刘义父子等砍断连结战船的大铁索，率领１６只大船，护着杨太后等，乘昏雾和混乱突围，冲出厓门口逃去。
当天的战斗非常残酷，《宋史》记载：七日后，十余万具尸体浮海。
几日后，张世杰奉杨太后令返回厓山，招集沿海失散兵士，打算重整旗鼓。又向杨太后提出要赵氏后人立君，太后知道帝昺已死，无法抑制悲痛，手掩胸口大哭：“奴所以数年忍死飘流至此者，正为赵氏一块肉尚在耳，今无望矣！”于是趁人不备，也跳海身亡。仓促之时，张世杰将她草草葬在厓山海滨。
苏刘义等见帝昺和杨太后都死了，便齐向张世杰问计。张世杰便计划到占城，再图谋复兴。不久船遇飓风，张世杰等也在大风雨下溺死于平章山下（约今广东省阳江市西南的海陵岛对面海域）。
张弘范在剿灭张世杰回师时，在厓山刻石标记：“大元张弘范灭宋于此！”以表其功，至今仍在。
此役，是元朝灭亡南宋的最后一役。这次战役，元军采用控扼海口，断其水道；四面合围，巧妙利用海潮进攻；以及用歌声为号，麻痹宋军，然后突然发动进攻的战术，取得了以少胜多的战绩。宋军怕分兵扼海口，军心涣散，坐失地利，加之囿于专守不攻的战法，又坐失有利战机，招致惨败。