1281年正月，忽必烈命令元军兵分两路远征日本。五月，征东行省右丞忻都、洪茶丘和都元帅金方庆率蒙、汉、高丽军4万人组成东路军，乘战船900艘，仍从高丽合浦出发，在筑前去驾岛登陆。遭到日军顽强抵抗之后，东路元军退至鹰岛，转攻对马、一岐、长门等地。六月，行省右丞相阿塔海、右丞范文虎、左丞李庭、张禧等率新附军及强行征发来的江南士卒共10万人组成的江南军，乘战船3，500艘，从庆元（今宁波）、定海启航。二路大军约定六月以前会于壹岐岛及平壶岛。七月，两路大军在平壶岛会合后，主力驻屯鹰岛，偏师进屯平壶岛，计划分数路进攻太宰府。但是，元军统帅之间不和，影响了军务，加上日军戒备森严，元军在鹰岛滞留达一个月之久。八月初一夜，元军遭飓风袭击，大部分船只沉没，军士溺死者无数。初五，范文虎（南宋降将）临阵脱逃，"独帆走高丽"（方回《桐江续集》卷32《孔端卿东征集序》），竟把10多万元军将士遗弃在海岛上。日军上岛后，元军大部分将士背水战死；数万士卒被俘。战俘们被日军押往八角岛做奴隶。此次背水大战生还者概不足五分之一。此年为日本俊宇多天皇弘安四年，日本史志称这一战役为"弘安之役"。
两次出师失利，并未使忽必烈放弃征服日本的计划。后因部分大臣反对，尤其还要对安南用兵，忽必烈才不得不于至元二十三年（1286年）正月下诏罢征日本。此后，元朝虽然还有过征伐日本的议论和准备，但均未能实现。
三战臣服安南国
忽必烈于1257年秋，派使节招降安南陈朝（今越南北部）。安南国王扣留使节，拒绝投降。同年十一月，兀良哈台率大军沿红河进攻安南。十二月，大败安南军，一举攻陷安南国都升龙（又名大罗城，今河内），安南国王逃往海岛。次年二月，安南国王传位于其子。至夏，安南新国王派使晋见兀良哈台，表示臣服。
1260年十二月，忽必烈派礼部侍郎中孟甲等出使安南，允许安南保持衣冠典礼风俗等本国旧制。作为回报，安南国王派族人通侍大夫陈奉公等觐见忽必烈，请求三年一贡。忽必烈同意其要求，并予以册封。此后有一段时间，两国使节往来频繁。1267年，忽必烈应安南国王请求任命讷剌丁为安南达鲁花赤（大督官）。不久，忽必烈又下诏要安南君长亲自来朝，贵族子弟入质，编制户口，出兵役，交纳赋税，设置各级达鲁花赤。安南国王不接受这些要求，也不向元使跪拜，且还提出取消达鲁花赤的要求。此时，元朝忙于灭宋，无力南顾。
1283年，忽必烈以进攻占城（今越南中南部古国）为名，派其子镇南王脱欢、大将李恒率大军南征，要求假道安南，让安南给元军提供粮草。安南国王断然拒绝了元朝的要求。1284年十二月，元军分六路侵入安南，安南兴道王率兵凭险节节抵抗，安南国王亲率10万大军布防于升龙以北的富良江一线。经过激战，安南国王军队于1285年正月十三日撤离升龙，退守天长府。脱欢占领安南国都后竟焚毁了王宫，并挥师南下，同时命令驻扎在占城的元将唆都北上，合击安南主力。元军会合后，分水陆两路追击安南王国部队。安南王屡战屡败，逃往安邦海口，藏于山林，后又退据清化府。其弟陈益稷投降。元军虽然获胜，但在安南丛林和水网地带，蒙古军骑兵亦无法施展其本领，又值暑雨疾疫，加上安南援兵日增，不断袭击元军，脱欢被迫放弃已占领的安南京城，于同年夏撤至思明州（今广西宁明县）屯守。而在元军撤退途中，在如月江、册江（乾满江）等地一再遭到安南军民的截击，损失惨重，唆都、李恒等元帅战死。安南一度收复了全部失地。
1286年正月，忽必烈罢征日本，调集军队、粮草，准备大举进攻安南。到第二年正月，忽必烈调集8万大军（江淮、江西、湖广蒙、汉军7万人、云南兵、黎族兵约1万人；船500艘），成立征交趾行省，以奥鲁赤为平章政事，乌马儿、樊楫为参知政事，受镇南王脱欢节制。十一月，元军分三路攻入安南境内。程鹏飞、孛罗合答儿由西道攻永平，大小十七战，连破老鼠、陷沙、茨竹三关，直抵万劫；脱欢、奥鲁赤从东道攻女儿关；乌马儿、樊楫从海道攻安邦口。各路元军会合后，矛头直指升龙。十二月，脱欢率诸军渡过富良江，击败守军，再次进占了安南都城。安南国王逃进了敢喃堡。安南军民以坚壁清野，藏粟逃匿的策略困扰元兵，而元军粮船又在绿水洋受到安南军的阻截，粮食全部沉入海中。元军的长驱深入，造成士卒疲敝，粮饷短缺，加之天气转热，疲病发生，使元军陷于进退失据之困境，次年二月初，脱欢只得下令全师北撤。在元军撤退途中，安南王集结重兵30万据女儿关和丘急岭一带布防百余里，准备再次截击归师。脱欢闻讯下令各路军队避开敌军，分道撤回国内。元军水师在白藤江遭安南军阻击，主将樊楫受伤被俘。总领脱欢也在且战且退中毒箭伤脚，从单己县撤回思明州。三月，安南国王遣使入元，归还俘虏，进贡金人以代谢罪。忽必烈十分恼怒，但仍不得不恢复和好关系。
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