随后日本武士回过神来了，好不容易稳住了阵脚，准备发动反攻，可蒙古联军已经摆好了战斗阵型，帝国军队忻都等诸将站在制高点，观察战局，以鼓声指挥队伍进退。当日军逼近，联军从中间分开，任其进入，然后两端合围，形成口袋阵，将围困的日本武士全部斩杀。此时蒙古联军集团作战的优势尽显无疑，而日本武士则习惯了单打独斗，一对一的过招，面对联军团队协作的战法，是一点办法也没有，只有被动挨打的份。由此两军在百道源的初次接触，日军便伤亡惨重，史料记载水边漂得死尸都数不清，百道源战场可谓是“�尸如麻”。
联军乘势将兵锋推进至鹿原方向，攻入百道源西部的赤坂。赤坂一带地形复杂，多为丘陵山地，守住此地便可以有效阻挡住蒙古大军，可一旦失守，蒙古人就会轻而易举地攻下大宰府，如果大宰府失陷，那么整个北九州就会被敌军收入囊中，蒙古人就可长驱直入攻入本州岛西部或是跨过四国直抵近畿，威胁京都。
此时的战场形势对日本军队是不利的，大部分军队仍在后撤，蒙古大军几千人的先头部队已经进入到了赤坂防区，就在此时，一支两百余人的骑马武士出现在了蒙古人的面前，领头的武士厉声喊道：“吾乃肥后国菊池次郎武房！”蒙古士兵当然听不懂这个人在说什么，但却发出了轻蔑的笑声，大家都等着菊池武房的“一骑讨”，等着他冲到阵前大声叫喊的时候，再一块放箭，将此人射成刺猬。
然而出乎蒙古人意料的是，菊池武房喊完了这句话后便没有了下文，而是带着两百多名骑马武士一头冲进了两千多人的蒙古军阵之中。霎时间，蒙古人乱了阵脚，这种不要命的战法确实让他们措手不及。然而蒙古军人毕竟是身经百战，英勇的骑马武士在进行一轮冲击之后，便陷入到了元军的重重包围之中。菊池武房在混乱之中斩杀了两名敌军之后，转身突围，然后头也不回地就走了，余下的两百余名日本士兵很快就被元军包了饺子。
菊池武房的进攻，一定程度上阻滞了蒙古人的进军，其他武士受到了极大的鼓舞，后面的日军大部队也跟着冲向元军。总指挥藤原经资，按一族一门战斗组织，对占领赤坂的元军实行轮番攻击。日本武士的战法战术虽然落后，但毫不畏死，一门败下，另一门迅速攻上，这种飞蛾扑火般自杀式的冲锋确实给联军形成了巨大压力，迫使其向鹿原方向撤退。
已经进至鹿原及鸟饲一带的联军，又继续向内陆延伸，扩大占领地。日本北九州各地武士相继赶至战场，一队一队轮番攻击联军，不过在战场上没有统一指挥，日军总人数是不少，可都是各自为战，战局很混乱，武士们都被化整为零，每一队人马数量较之于蒙古联军都少，所以一轮一轮下来，日本是损兵折将，占不到任何优势。
与此同时，联军的另一支从博多湾东部方向登陆，占领岸边松林，从背后与百道源的联军会合，对日军形成夹击之势，日本军队腹背受敌，死伤惨重，被迫向太宰府水城撤退。
十月二十日傍晚时分，博多湾的箱崎等地先后落入蒙古兵之手，当地祭祀着军神的箱崎八幡神宫也为联军付之一炬。日军已是全线溃退，蒙古帝国的联军势头正旺，节节进逼。然而乱军之中，少贰景资却在不远处发现了一位蒙古将领正骑在高头马上督战指挥，景资根本就搞不清楚这位将领究竟是何方神圣，但他认定这必定是个大人物，于是拿起弓箭就射了过去，蒙古将领“哇”的一声从马背上坠下。少贰景资万万也不会想到他所射中的正是蒙古联军的左副帅刘复亨，不过刘将军未被射中要害，并不危机生命，可军队的锐气却受到了挫伤，加之天色已晚，联军的进攻停止了，受伤的刘复亨哼哼唧唧地回到船上，少贰景资算是捡到了个大便宜，日军这方才得以迅速撤退到大宰府水城里。蒙古联军放火焚烧了博多、箱崎的港口街道，随后便扬长而去。
夜幕降临之后，联军已经占领了博多湾的滩头阵地，一天的战斗结束了，军队损失不少，人困马乏。为防止日本人夜间偷袭，当晚联军诸将相继回到船上，主帅忻都主持军事会议，商讨第二天的军事行动。然而此时，诸将出现了意见上的分歧，攻守进退，各执一词。一想起白天那些日本武士寻死般的勇猛战斗，蒙古联军的将帅都还是心有余悸，产生了忌惮，部分将领的斗志和进取的锐气大为挫伤，受伤的刘复亨早就率领自己的部下回到船上准备打道回府了。主帅忻都也产生了惧意，打起了退堂鼓，提出要退兵。当时只有一直在旁边观战的高丽将领金方庆还比较冷静，他看到战争形势还是对蒙古帝国的联军还是非常有利的，事实上忻都等人没有准确地判断出战场的形势，日本军队表面上看似勇猛，实则战术落后，并没有什么有效的办法可以阻击联军。金方庆向忻都提出：“我军虽少，但已入敌境，人自为战，即孟明焚舟、淮阴背水计也。”他建议联军只要坚持苦战，抓住战机，一鼓作气，必能拿下大宰府，然后再以此为阵地等待援军，从长计议。不过这时的忻都恐怕心里就只有害怕了，哪听得进一位高丽副将的建议，他说：“小敌之坚，大敌之擒。策疲兵入境，非完计也，不若班师”坚持要撤兵，从而放弃了战场上的主动权。
而此时正值日本南部台风活跃的季节，忻都还未班师就遭遇了暴风雨，联军停泊于博多湾口的舰队陷于一片混乱之中，联军舰队被台风打得七零八落，这些在高丽建造的船只，施工草率，质量低劣，有的被风浪打破，变成了片片散板，有的则撞上岩壁而破碎，损失惨重，高丽的左军指挥官金侁落入海中溺死，忻都如同惊弓之鸟，害怕日军夜间突袭，趁着台风渐小，率领幸存的船只连夜撤回高丽。据史载，联军此次的损失超过了半数，只有一万三千五百人生还，而多数是亡于暴风。第二天日本武士再次来到博多湾口时，发现蒙古帝国的舰队消失得无影无踪了，仿佛从人间突然蒸发了，战争就这样不了了之。这一年，后宇多天皇使用的年号是“文永”，所以这场战役日本人史称“文永之役”。
“文永之役”虽然是以蒙古的撤军而告终，但是日本上下仍旧是惊魂未定。日本朝野把赶走蒙古联军的那股突如其来的台风呼之为“神风”，在全国范围展开大规模的祈神运动，感谢神风击退蒙古人。从此关于日本是神国的迷信观念就这样一代代传播下去，用来蛊惑人心。
此后，北条时宗抓紧时间加强了西部沿海防守，整顿军备，比如任命北条宗赖为长门守护，负责九州守备；命令镇西的武士御家人均回各自领地，无须负担其它地方的防务，非幕府所属的御家人也要服从北条家族的指挥。实际上，北条时宗利用巩固国防的机会，加强了中央对地方的控制，改革了政治机构。紧接着，幕府政权开始在博多湾沿岸修筑石坝作为抵挡蒙古人再次入侵的防御工事，被称为“蒙古防垒”。石坝西起今津，东至箱崎，坝高约五尺，宽约一丈，沿海岸线长达二十余公里。工程耗时五年，直至日本弘安三年（公元1280年）才完工。
在加强日本西部沿海防务的同时，北条时宗于日本建治元年（公元1275年）十一月，下达了针对高丽的“异国征伐令”，大致有这么几条：
一、出征人员以御家人为主体，再加上西国非御家人武士。
二、船只、船头，水手从九州征发，不足的部分从山阴，山阳适当补充。
三、免除出征者在博多湾建造石垒的负担。
四、长征军总指挥为少贰经资（就是藤原经资）
五、出征基地为博多。
北条此举一来是对蒙古军侵略的报复，震慑高丽，二来便于探测敌情。后来“异国征伐令”虽未得以实行，但仍有部分小股武士不经幕府批准，就自发地组织起来袭扰高丽南部沿海地区。高丽王见势不妙，上书呈请忽必烈再次征讨日本，以解除沿海边患。
回到中国的忻都等人巧妙地掩盖了军队遭遇台风而败退的事实，忽必烈误以为通过蒙古帝国的军事打击，日本已经受到惩戒，必定会主动请和，遣使通好，于是他又派出礼部侍郎杜世忠、兵部郎中何文著等人，携国书前往招降。但杜世忠一行30多人到了日本就杳无音信了，直到至元十七年（公元1280年），忽必烈才得知杜世忠在日本被杀的消息。