Nhận được tin báo về tình hình quân Mông Cổ và nắm được hướng tiến quân của chúng, vua Trần Thái Tông quyết định thân chinh. Đầu tháng 1.1258, vua điều động sáu quân gồm quân Thiên Thuộc, Thiên Chương, Thánh Dực, Chương Thánh, Thần Sách, Củng Thần cùng sương quân các lộ gần kinh thành.
1. Các hướng tiến quân của Mông Cổ
Cuối tháng 12.1257, Ngột Lương Hợp Thai từ trại A Mân sát biên giới Đại Việt rồi tấn công chiếm đóng trại Quy Hóa thuộc lãnh thổ Đại Việt. Quân của trại chủ Hà Khuất không chống nổi, phải lẫn vào rừng mà tránh mũi nhọn của giặc. Sau đó quân Mông Cổ từ trại Quy Hóa tiến quân dọc bờ sông Thao (đoạn sông Hồng chảy qua các tỉnh Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Vĩnh Phúc) thẳng xuống kinh thành Thăng Long khi chờ không thấy sứ giả nào trở về. Hai đạo kỵ binh được phái đi tiên phong dò đường. Đạo tiên phong thứ nhất do tướng Triệt Triệt Đô (Cacakdu) men theo hữu ngạn sông Thao mà tiến. Đạo tiên phong thứ hai do phò mã Mông Cổ là Hoài Đô (Quaidu) chỉ huy hành quân bên tả ngạn để bảo vệ sườn phải của đại quân Mông Cổ. Viên tướng trẻ A Truật cầm trung quân tiến sau đội tiên phong của Triệt Triệt Đô. Sau cùng là hậu quân do Ngột Lương Hợp Thai trực tiếp chỉ huy.
2. Quân tình Đại Việt
Bấy giờ về tương quan lực lượng toàn lãnh thổ, quân Đại Việt có quân số đông áp đảo địch. Nhưng vì là bên tấn công, Mông Cổ có lợi thế binh lực tập trung. Trái lại, quân đội Đại Việt cần phải phân chia để phòng thủ nhiều nơi trên đất nước.
Toàn quân thường trực Đại Việt có 10 vạn quân. Trong đó, cấm quân khoảng 2 vạn, sương quân 8 vạn. Các hiệu sương quân ngày thường thay phiên làm ruộng, nay đều đã nhập vào đội ngũ khi có lệnh sẵn sàng chiến đấu. Trong năm 1257, một cánh quân đã được điều động lên trại Quy Hóa gần biên giới dưới quyền chỉ huy của viên tướng trẻ Trần Quốc Tuấn để phòng bị quân Mông Cổ. Tuy nhiên, sử sách cũ của cả hai phía Nguyên Mông và Đại Việt đều không có ghi chép gì về sự giao chiến của Trần Quốc Tuấn với quân Mông Cổ. Có thể Trần Quốc Tuấn đã chủ động rút lui bảo toàn lực lượng, tránh đi cái thế mạnh ban đầu của giặc. Một cụm quân quan trọng khác của Đại Việt đóng ở Thiên Mạc (thuộc Nam Định) – đất thang mộc của họ Trần. Ngoài ra, biên thùy phía nam vẫn luôn cần phải có trọng binh đóng giữ để phòng bị nước Chiêm Thành. Dẫu vậy, về vấn đề quân số thì Đại Việt vẫn có thể điều động ngay lập tức một số lượng quân đông hơn hẳn quân địch. Quân số không phải là điều đáng ngại với Đại Việt trong cuộc chiến này.
Theo phép tắc nhà Trần, nhiều vương hầu nắm giữ trọng chức nhưng không thường xuyên ở tại kinh đô mà ở trong các Thái ấp của mình, khi có việc cần vua sẽ cho người gọi đến. Chính vì vậy mà trong nhiều quyết định quan trọng lúc quân Mông Cổ mới sang, nhà vua không có được sự thảo luận kỹ càng từ các đại thần. Đây mới chính là vấn đề khiếm khuyết quan trọng trong việc chuẩn bị kháng chiến. Vua Trần Thái Tông bấy giờ tuy là một vị vua anh minh, thể hiện được tài năng trị nước nhưng xét về kinh nghiệm chiến trường vẫn còn rất ít. Cần biết rằng, tướng Mông Cổ sang Đại Việt lần này là những tên có rất nhiều kinh nghiệm chỉ huy nhiều cuộc chiến lớn, với nhiều hình thái chiến tranh khác nhau, và từng đánh bại nhiều đội quân có sở trường khác nhau. Sự chênh lệch về kinh nghiệm tác chiến, chỉ huy sẽ đóng vai trò rất lớn trong cuộc chiến.
3. Vua Trần Thái Tông thân chinh, hai đội quân đối mặt
Nhận được tin báo về tình hình quân Mông Cổ và nắm được hướng tiến quân của chúng, vua Trần Thái Tông quyết định thân chinh. Đầu tháng 1.1258, vua điều động sáu quân gồm quân Thiên Thuộc, Thiên Chương, Thánh Dực, Chương Thánh, Thần Sách, Củng Thần cùng sương quân các lộ gần kinh thành. Tổng quân số lên đến chừng hơn 7 vạn người, với tượng binh trợ chiến và nhiều chiến thuyền (căn cứ theo quân số có thể có hơn 1000 thuyền) làm nhiệm vụ chuyên chở quân lính, voi chiến. Số quân binh này đã được lệnh sẵn sàng chiến đấu từ trước, nay chỉ hô một tiếng là lập tức hợp thành đoàn quân. Tháp tùng theo vua có nhiều tướng lĩnh quan trọng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vương hầu và các lộ ở xa chưa đến hội quân. Ấy là do vua Trần Thái Tông khá tự tin với quân đông hơn gần gấp đôi và có nhiều tượng binh trợ chiến, ngài sẽ nhanh chóng giành chiến thắng trước quân Mông Cổ. Vua đi đánh trận xa, Thái sư Trần Thủ Độ được giao trọng trách giám quốc, đóng ở kinh đô Thăng Long làm hậu viện.
Binh thuyền Đại Việt từ kinh thành Thăng Long ngược dòng sông Phú Lương (sông Cầu), rẽ vào sông Cà Lồ tiến lên phía tây bắc chặn giặc. Đến vùng Bình Lệ Nguyên (Bình Xuyên, Vĩnh Phúc ngày nay), vua Trần Thái Tông cho quân đổ bộ lên bờ bắc sông Cà Lồ, tiến về bờ nam con sông Phan, khu vực làng Hương Canh mà dàn trận nghênh địch (1). Còn số thuyền chở quân đổ bộ đóng tại bến Lãng Mỹ, nằm trên sông Cà Lồ, cách Bình Lệ Nguyên không xa, để phòng sự bất trắc sẽ chở quân rút lui về hậu tuyến.
Lại nói quân Mông Cổ từ khi nhổ trại tiến quân đến giữa tháng 1.1258 thì đến bờ sông Lô. Các toán tiền hậu tả hữu của Mông Cổ cùng vượt sông Lô hội quân tại Bạch Hạc (thuộc Việt Trì, Phú Thọ ngày nay). Đoàn quân xâm lược của Mông Cổ do tướng Ngột Lương 6Hợp Thai cầm đầu chỉ còn cách đội quân vệ quốc của vua Trần Thái Tông một con sông Phan (con sông nhỏ thuộc hệ thống sông Cà Lồ). Bên bờ nam con sông nhỏ này, voi ngựa Đại Việt bày trận san sát chờ sẵn. Bên kia bờ bắc, quân Mông Cổ sắp đặt các thê đội chuẩn bị vượt sông. Cuộc quyết chiến giữa Đại Việt và Mông Cổ sắp bắt đầu.