時任元朝江東宣慰使的張弘範立功心切，他回大都入覲忽必烈，建議道：“張世傑立廣王（趙昺）於海上。閩、廣響應，宜派大軍剿滅，免留後患！”忽必烈大喜，立即命張弘範為蒙古、漢軍都元帥。陛辭之日，張弘範深諳韜晦之計，假意推辭主帥之職：“國朝軍製，無漢人統禦蒙古軍者。臣乃漢人，恐軍心不服，願陛下派親信蒙古大臣為帥，與我一道南征。”忽必烈深知張氏家族二世為蒙古效命，賜錦衣、玉帶以表示對他的絕對信任。張弘範拜而不受，提出：“奉命遠征，沒時間穿這些錦衣、玉帶。如能得陛下賜以盔甲、寶劍，則為臣可仗聖上威靈，令行禁止，無往不克！”忽必烈聞言大喜，賜張弘範尚方寶劍，表示：“尚方寶劍在手，如朕親臨。有不用命者，以此處之！”於是，張弘範薦李恒為自己的副手，至揚州後，發水陸精兵二萬，分道南下。
元軍水、陸兩路進兵，從海道攻襲漳州、潮州、惠州等地，數敗宋軍，並最終在海豐生擒了文天祥；步軍方麵，元將李恒越過大庾嶺，攻占廣州。
節節失利之餘，張世傑本人也從潮陽港乘舟入海，退保厓山。
張世傑手下有謀士相勸道：“北兵（蒙古軍隊）以舟師堵塞海口，則我軍進退失據，不如率先主動出擊，占據海口要地。如果得勝，國之福也；如果不勝，猶可西走。”
張世傑思之良久，自忖宋軍久漂海上，士卒離心，怕主動進攻失敗後，會導致軍卒立刻潰散，便對眾部下道：“頻年航海，何時可已！今須與北軍正麵一決勝負！”於是，他命人焚毀岸上所建數千間簡易房屋，把千餘艘大船牢結成一字陣，沉錨於海，“中艫外舳，貫以大索，四周起樓柵如城堞，奉宋帝居其間”，以必死之態，以求決戰。
此前，宋軍已被阿術縱火燒船殺得慘敗，張世傑不汲取教訓，仍舊出此下策，真是天時人事，均使宋朝一步一步踏向覆亡深淵。當然，張世傑已考慮到既是族弟又是敵將的張弘範火攻的可能性，命人在戰艦外皆塗滿厚厚一層濕泥，又在戰艦前麵綁住長木不讓元軍火舟靠近。
1279年正月，元軍統帥張弘範指揮元軍進攻。厓山以北水淺，元軍大舟怕擱淺，便從厓山以東轉而南駛，入大海後，從海口進薄宋軍水城。同時，元軍又出奇兵，斷絕宋軍陸上的汲水之路。由於宋軍船大陣牢，元軍水軍衝撞不成，張弘範就派人在木柴上澆上膏油，乘風縱火。由於張世傑事先派人在各船外層塗泥，元軍火攻並未得手。
強攻不成，張弘範派在自己軍中任職的張世傑外甥三入宋營，勸降這位族兄。雖與張弘範同族，又有外甥相勸，張世傑仍舊凜然正氣，對外甥道：“我知道，如果投降，不僅能保命，還能得享富貴榮華。但我已經立下誓願，定以死報答宋恩，此誌難移！”
見張世傑外甥說降不成，張弘範又逼迫被俘的文天祥寫信招降。文丞相凜然正氣，怎麼可能與狗賊張弘範同流合汙，就道：“我不能捍衛父母社稷，卻教人背叛父母社稷，絕對不可能！”張弘範再三催逼，文天祥便當其麵書寫《過零丁洋詩》示之。這首《過零丁洋》至今讀來仍讓人蕩氣回腸、感慨萬千！詩曰：
辛苦遭逢起一經，幹戈寥落四周星。
山河破碎風飄絮，身世浮沉雨打萍。
惶恐灘頭說惶恐，零丁洋裏歎零丁。
人生自古誰無死，留取丹心照汗青。
張弘範讀到“人生自古誰無死，留取丹心照汗青”之句時，不得不肅然起敬。苦笑之餘，他不再強求文天祥寫招降書。
即使如此，張弘範仍派人多次臨陣向厓山宋軍喊話：“你們的陳丞相（宜中）已逃，文丞相（文天祥）已被捉，你們不投降還等什麼？”厓山士民皆不答，無一人叛降。
強攻不成，張弘範命元軍水師封鎖海口，斷絕了張世傑通往陸地的交通。宋兵在海上餓了吃幹糧，渴了喝海水。海水又鹹又苦，兵士們喝了紛紛嘔吐。戰鬥力劇減。即使如此，張世傑仍率宋軍與元兵旦夕大戰。不久，元將李恒也率軍自廣州來會，與張弘範一起合攻厓山之北。本來，元軍諸將建議居高臨下，發炮猛攻宋軍水城。張弘範不同意，怕炮擊後宋軍散舟，浮海分逃，不能全殲，“不如以計聚留而與戰也”。李恒觀察形勢後，建議元軍合力與宋軍水師“相直對攻”。
陰曆二月初六拂曉，彤雲漫天，風吼海嘯。元軍選擇這樣一個惡劣的天氣發動總攻，意在先從精神上壓垮疲憊的宋軍。交戰之前，張弘範把元軍精銳分成四路，自己親率一路。在向將校部署出擊路線時，他說：“宋軍艦船停泊在厓山西麵，漲潮之後必然向東漂移，我軍要趁此有利天時發起猛攻。各路舟師以帥船鼓樂為號，聞風而動，不得有誤。違令者斬！”隨後由李恒帶領一路舟師，乘早潮退去、水流由北向南之機，順流對宋軍進行試探性的攻擊，以求宋軍暴露強弱虛實，張世傑率部英勇抗擊，雙方火拚廝殺，幾經較量，未分勝負。及至中午，潮水猛漲，宋軍艦船果真東移。張弘範見時機已到，便令帥船大奏鼓樂；張世傑不知這是元軍再次發動攻勢的信號，誤以為是敵船官兵在戰鬥間隙飲酒作樂，所以未加戒備。不料，元軍竟在鼓樂聲中從南北兩麵同時衝殺過來，宋軍腹背受敵，倉促迎戰。由於連年海上勞頓，宋軍不得休整，士卒體力大都衰竭，突然遭到淩厲攻勢，士氣很難振作。倘在此時有一環瓦解，整個防線就會全部崩潰。就在這關係南宋命運的決戰中，不幸的事情終於發生了。在元軍各路舟師的強攻下，宋軍的船隊中突然有一艘戰船的桅頂繩斷旗落，頃刻之間，許多艦船的檣旗也隨之紛紛降落。張世傑見旗倒兵散，大勢已去，連忙調集親兵砍斷船纜，準備輕裝衝開血路，殺出重圍。