Sau trận quyết chiến Bình Lệ Nguyên gặp bất lợi, vua Trần cùng quan quân xuôi theo dòng sông Cà Lồ mà rút về đông. Mặc dù quân Đại Việt có lợi ở thuyền nên bỏ xa kỵ binh Mông Cổ truy kích phía sau, nhưng quân Mông vẫn kiên trì men theo bờ bắc sông Cà Lồ mà truy đuổi không ngừng nghỉ. Kế hoạch rút lui không đơn giản mà đòi hỏi phải có sự tính toán kỹ lưỡng. Số là khi xuất quân, vua Trần cùng đại quân đi đường bộ đến bờ sông Cà Lồ rồi xuống bến đi thuyền ra mặt trận. Đến nay phải lui quân, theo tuyến đường cũ thì phải bỏ thuyền lên bộ mới về được Thăng Long. Ngày 18.1.1258, quân Đại Việt bỏ thuyền lên bộ tại làng Phù Lỗ (nay thuộc Sóc Sơn, Hà Nội), chỉ một ngày sau trận Bình Lệ Nguyên. Địa danh này nằm trên tuyến đường bộ nối vùng trung tâm Đại Việt với vùng tây bắc thời bấy giờ. Thời điểm chuyển quân từ thuyền lên bộ là thời điểm nhạ‌y cả‌m, cần có thời gian nhất định. Tại Bình Lệ Nguyên, sở dĩ quân Đại Việt xuống thuyền rút nhanh được là nhờ thuyền chiến đã đậu sẵn có trật tự. Nhưng bây giờ khi lui quân, một đoàn thuyền gần ngàn chiếc, chở hàng vạn quân phải cập bến chuyển quân trong thời gian ngắn. Sau đó, thuyền chiến còn phải đi vòng theo đường khác để lui về hậu tuyến.

Trước tình hình đó, vua Trần Thái Tông cho quân phá sập cầu Phù Lỗ để ngăn kỵ binh giặc truy đuổi, đồng thời lập một trận tuyến bên bờ nam Phù Lỗ để chặn hậu. Còn đại quân thì theo vua hành quân bộ về Thăng Long. Các thuyền theo thứ tự chuyển quân lên bộ xong lập tức rút về hướng đông, theo ngã sông Cầu đi vòng về nam, trừ một số thuyền chiến lưu lại Phù Lỗ trợ chiến. Tôn tử Phú Lương Hầu (cháu vua, không rõ tên) được giao phó chỉ huy quân chặn hậu. Trong chốc lát ngay sau khi quân Trần đổ bộ rút lui, quân Mông Cổ đã đuổi tới nơi. Tại đoạn chảy qua Phù Lỗ, sông Cà Lồ bấy giờ có tên gọi là sông Phú Lương tương đối lớn so với đoạn sông ở Bình Lệ Nguyên khiến cho quân Mông Cổ trong nhất thời không tìm được cách vượt sông, giúp cho vua Trần Thái Tông có đủ thời gian dẫn quân rút lui và quân chặn hậu có thời gian sắp đặt thế trận. Quân Mông bèn đi dọc bờ sông, bắn tên lên trời cho mũi tên lao tự do xuống nước. Đó là kỹ thuật đo độ sâu đáy sông độc đáo của kỵ binh Mông Cổ. Nếu mũi tên lao xuống nước rồi nổi lên mặt nước thì nước chỗ đó sâu, kỵ binh không thể qua được. Chỗ nào mũi tên lao xuống nước không nổi lên là chỗ nước nông, kỵ binh có thể lội qua. Lưu ý là thời kỳ này đã có nhiều cách vượt sông khi hành quân. Có các cách như dùng cây giáo buộc dây kết lại thành bè, lột da dê thổi hơi làm phao, dùng người bơi giỏi cắm cọc hai bên bờ sông rồi kéo dây … Nhưng những cách này đều đòi hỏi có thời gian chuẩn bị. Còn cách dùng mũi tên dò tìm chỗ nông của quân Mông Cổ có thể tận dụng chỗ đáy nông mà sang sông ngay lập tức. Vừa đi dọc bờ sông vừa bắn tên một lúc, cuối cùng quân Mông Cổ cũng dò ra được một khúc sông có mực nước nông. Kỵ binh Mông Cổ lập tức nối đuôi nhau vượt sông.

Cách vượt sông độc đáo của quân Mông Cổ làm cho quân ta bất ngờ. Việc quân Mông Cổ vượt sông nhanh chóng khiến cho thế trận Phù Lỗ gần như đã định đoạt. Quân chặn hậu của Phú Lương Hầu không đông nên liều chết cũng chỉ cầm cự được một lúc trước sức mạnh kinh hồn của kỵ binh Mông Cổ. Một số thuyền của Đại Việt bị quân Mông Cổ thu được và đánh đắm. Phú Lương Hầu cùng những quân sĩ dưới trướng hy sinh trong cuộc chiến chặn đường giặc, góp phần kéo dài thời gian quý giá cho đại quân cùng đầu não triều đình rút lui an toàn về Thăng Long.

Rút lui khỏi Thăng Long, thi hành kế “Vườn không nhà trống”

Về đến kinh thành Thăng Long, triều đình thi hành ngay kế “Vườn Không Nhà Trống” để đối phó với thế mạnh ban đầu của giặc. Ngay trong ngày và đêm 18.1.1258, toàn bộ quân đội và tôn thất, cung nhân cùng triều đình Đại Việt xuống thuyền rút về Thiên Mạc (thuộc Hà Nam ngày nay). Nhân dân trong thành Thăng Long cũng được lệnh di tản khỏi kinh thành, mang theo toàn bộ lương thực, thực phẩm. Khó có thể tin được, cuộc di tản chỉ diễn ra trong một ngày mà đại đa số dân chúng thành Thăng Long có thể mang theo hết lương thực khỏi thành. Chỉ riêng việc truyền lệnh trong thời đại chưa có những phương tiện truyền thông hiện đại đến toàn thể dân chúng trong thành cũng phải mất ít nhất hơn một ngày. Ngoài ra, những kho tàng của triều đình cũng không thể nào di tản nhanh chóng trong một ngày được. Nhiều khả năng cuộc di tản khỏi kinh thành đã được tiến hành từ trước cuộc giao chiến ngày 17.1.1258 tại Bình Lệ Nguyên, nằm trong kế hoạch chung của cuộc kháng chiến. Đó quả thực là một kế sách bài bản, không đơn thuần là bỏ thành rút chạy khi bị thua trận.

Việc rút lui khỏi kinh thành Thăng Long để thi hành kế “vườn không nhà trống” thực sự là một chiến dịch di tản khổng lồ. Kinh thành bấy giờ có đến hàng chục vạn dân, để qua được các sông mà di tản khỏi thành cần rất nhiều lượt thuyền bè. Còn đối với việc di tản quân đội và các kho tàng cũng ít nhất cần hơn ngàn chiếc thuyền để vận tải. Trong bối cảnh một phần lớn chiến thuyền giao tranh ở Bình Lệ Nguyên vẫn chưa về kịp (do phải đi đường vòng), hoặc đã bị giặc bắt được mà Đại Việt vẫn có đủ thuyền bè phục vụ cho di tản. Điều đó cho thấy sự hùng hậu của đội thuyền Đại Việt thời Trần như thế nào. Chính cái lợi thế ở thuyền đã làm cho cục diện chiến tranh ở Đại Việt khác biệt hoàn toàn với nhiều nơi mà quân Mông Cổ xâ‌m lượ‌c. Lần hiếm hoi trong các cuộc chiến của Mông Cổ, quân Mông Cổ không còn giữ lợi thế về tốc độ. Ngựa Mông Cổ không theo kịp tốc độ của thuyền Đại Việt. Điều đó cũng có nghĩa là quyền lựa chọn đánh hay không đánh, đánh vào lúc nào đã nằm trong tay quân ta. Với thế mạnh ban đầu, quân Mông Cổ muốn đánh nhanh, thắng nhanh để sớm kết thúc chiến tranh. Phía Đại Việt đã buộc chúng phải rơi vào tình thế phải chờ đợi, đến khi nào quân Đại Việt muốn đánh với chúng.

Trong chiến dịch di tản khổng lồ khỏi Thăng Long nổi lên vai trò của vợ chồng Thái sư Trần Thủ Độ. Là trụ cột của triều đình lúc bấy giờ, Trần Thủ Độ đã sắp đặt khá chu toàn mọi chuyện. Quân đội theo vua lui về đóng ở vùng Thiên Mạc. Các làng xã xung quanh Thăng Long cũng được lệnh chôn giấu lương thực, xây rào lũy tự bảo vệ. Mỗi làng biến thành một cụm phòng ngự ngăn không cho giặc vào cướp lương ăn. Cung thất cùng vợ con các quan lại, thân vương di tản về vùng sông Hoàng Giang (thuộc Lý Nhân, Hà Nam ngày nay) dưới sự sắp xếp của Quốc mẫu Trần Thị Dung. Bà trước là hoàng hậu của vua Lý Huệ Tông, sau khi họ Trần thay họ Lý thì gả cho Trần Thủ Độ. Trần Thị Dung vốn là người được vua Lý Huệ Tông tin yêu, là mẹ của Lý Chiêu Hoàng và Thuận Thiên Hoàng Hậu (vợ vua Trần Thái Tông). Họ Trần có được ngôi báu nhờ vào công lớn của Trần Thị Dung nên uy tín của bà trong hoàng tộc rất lớn.

Đến đây, Trần Thị Dung đã góp nhiều công lao giúp cho chiến dịch di tản thành công, bà lại tổ chức trưng thu vũ khí trong dân chúng gửi cho quân đội chống giặc.

Quân Mông Cổ sau khi vượt qua chốt chặn ở Phù Lỗ, bèn tiến thẳng đến kinh thành Thăng Long. Ngột Lương Hợp Thai cùng binh tướng dưới trướng dễ dàng chiếm được kinh đô Đại Việt. Đây là điều bất thường ở thời đại bấy giờ. Đại Việt đã không cố thủ tại kinh đô mà nhanh chóng di tản. Và bất thường nhất là cả dân chúng cũng di tản. Thông thường ở nhiều quốc gia trên thế giới, kinh đô là trái tim của một đất nước. Việc thất thủ kinh đô gần như đồng nghĩa với mất nước vì đó là đầu mối giao thông và kinh tế của cả nước, là nơi tập trung sức mạnh lớn nhất, nơi ở của những người lãnh đạo đất nước. Ngoài ra thì thất thủ kinh đô là một đòn gián mạnh vào tinh thần, ý chí chiến đấu của một nước khi đó là một biểu tượng tinh thần của đất nước. Trong suy tính ban đầu của quân tướng Mông Cổ, chúng sẽ đóng quân ở Thăng Long mà chờ đợi một sự đầu hàng của triều đình Đại Việt. Tuy nhiên sự tự tin của đội quân xâ‌m lượ‌c sẽ nhanh chóng tiêu tan. Một thế trận mới của quân dân Đại Việt đang chờ đón chúng.