祥興二年（1279年）二月六日癸未，張弘範預備猛攻，元軍中有建議先用火炮，弘範認為火炮打亂宋 陸秀夫背幼帝投海
軍的一字陣型，令其容易撤退。明日，張弘範將其軍分成四份，宋軍的東、南、北三麵皆駐一軍；弘範自領一軍與宋軍相去裏餘，並以奏樂為以總攻訊號。首先北軍乘潮進攻宋軍北邊失敗，李恒等順潮而退。元軍假裝奏樂樂，宋軍聽後以為元軍正在宴會，稍微鬆懈了。
正午時段，張弘範的水師於是正麵進攻，接著用布遮蔽預先建成並埋下伏兵的船樓，以鳴金為進攻訊號。各伏兵負盾俯伏，在矢雨下駛近宋船。兩邊船艦接近，元軍鳴金撤布交戰，一時間連破七艘宋船。宋師大敗，元軍一路打到宋軍中央。這時張世傑早見大勢已去，抽調精兵，並已經預先和蘇劉義帶領餘部十餘隻船艦斬斷大索突圍而去。
趙昺的船在軍隊中間，四十三歲的陸秀夫見無法突圍，便背著八歲的趙昺投海，隨行十多萬軍民亦相繼跳海壯烈殉國！張世傑希望奉楊太後的名義再找宋朝趙氏後人為主，再圖後舉；但楊太後在聽聞宋帝昺的死訊在後亦赴海自殺，張世傑將其葬在海邊。不久張世傑在大風雨中不幸溺卒於平章山下（約今廣東省陽江市西南的海陵島對開海麵）。
崖山之戰是宋朝對蒙古侵略最後一次有組織的抵抗，10萬餘人投海殉難，其中有相當部分是自兩晉以來的宗門士族後裔。他們一路與宋帝南逃，終於走到絕路。此戰之後，中國在曆史上第一次完全淪陷於外族。崖山之戰也是中國曆史的重要的轉折點。中國獨立發展的進程被打斷，曾經高度發達的經濟、文化、科技、科舉與世族相結合的官僚製度、開始受限的皇權、先進的政治製度等等都中斷了，文明落後的蒙古人統治的元朝開始實行封閉、保守、輕工商業和更加集權的製度，並正式以程朱理學為科舉的主要內容和政府的官方思想；而之後推翻蒙元建立的明朝又走向保守封閉的道路。不少外國的史學家將宋朝滅亡視為古典意義中國的結束，所謂“崖山之後，已無中國”。
崖門海戰之後1天，即二月七日早晨，海上浮屍無數。陸秀夫的屍體被百姓找到，安葬起來；而小皇帝趙昺的屍體則為元軍尋得，隻見一眉清目秀的小兒身穿龍袍，頭戴皇冠，身上還掛著一個玉璽。元兵將玉璽交給張弘範，張弘範確認這小兒是趙昺，派人尋回，然而趙昺的屍體已經下落不明。據說被百姓埋葬在了廣東深圳赤灣村裏，至今仍存。
崖山海戰後，宋室覆亡。元將張弘範為耀武揚威，命人在崖山岩壁上雕刻了“鎮國大將軍張弘範滅宋於此”十二個大字。然而張弘範沒有得意多久便於次年（1280）病死。後人因恥於張弘範先投降蒙元，後請兵攻宋的所做所為，將其大字抹改為“宋將張弘範滅宋於此”。