張弘范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，浪涌如山」，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，縛長木杆頂拒敵人火船，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，收拾後宮珠寶並宮嬪，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。
卻說張弘范此時因追得急切，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。張弘范來到厓山山口，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。
張弘范聽了，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，只聽得一聲號炮，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；那元軍一衝進口來，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，看看余部都已到齊，張弘范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，悄悄地運載炮兵在厓山上結營寨，從山上營寨用炮轟擊宋帝艦，但遠距離攻擊難奏效，宋艦堅固不可動；張弘范又用火攻，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杆，頂住縱火的船隻無法靠近，又懸掛很多水筒用來滅火。張弘范的火攻不能得逞，他一時也無可奈何，戰鬥處在相持不下狀態。
張弘范改用攻心戰和誘降計。張世傑過去曾是張弘范父親張柔手下的軍士，其時外甥韓新還在元軍中。張弘范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？你告訴張弘范，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。張弘范又轉到文天祥身上打主意，企圖一箭雙鵰，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：
辛苦遭逢起一經，干戈寥落四周星。
山河破碎風飄絮，身世浮沉雨打萍，
惶恐灘頭說惶恐，零丁洋里嘆零丁。
人生自古誰無死？留取丹心照汗青！
此詩充分表達了文天祥視死如歸的英雄氣概。張弘范看了只得苦笑而止，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。這晚張弘范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？」
張弘范說道：「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。」
張弘范一聽大喜，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，現在讓張弘范斷了，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，干口吞吃乾糧了。