二月初六日，決戰的這一天終於到來了：
淩晨時分，天尚未明。張弘範把元軍船隊分為四隊：李恆獨當趙昺正北及西北角樓，諸將分居趙昺正南及正西，張弘範自將其一，居西南，去趙昺裡許，南北夾擊宋軍。令曰：“宋舟西艤崖山，潮至必東遁，南軍宜乘潮急攻，勿令失之。西北軍期吾樂作，乃戰，違令者斬！”又令曰：“敵西南艦可受危，聞其將左大守之，必驍勇也。吾其自攻。”諸將謂元帥不宜自輕，某等當效力。弘範曰：“帥當先其難者。”
頃之，有黑氣出山西，微雨滿天，弘範曰：“吉兆也。”
卻說張世傑方自酣睡，忽聞手下來報：元軍調兵遣將，異動明顯。張世傑聽了，不免大吃一驚，隨即翻身而起，暗忖道：“遮莫決戰就在今日？！”當下不敢怠慢，急遣軍士速召陸秀夫、蘇劉義、方興、左大等一幹文臣武將來見。原來他們也早有了決戰的準備，此時聽了此訊不由精神大振，恨不得立刻摩拳擦掌，將眼前這些個韃子屠殺淨盡。
張世傑見群下士氣高漲，喜在心頭，乃從容地調兵遣將：令陸秀夫、翟國秀及劉俊居中坐鎮，兼護幼主；左大、夏禦史據守西南，方興、張達據守西北，蘇劉義、蘇景瞻父子據守正南及正西，自將淮軍據守正北兼全盤照應。
調撥諸軍已畢，又令各軍俱各飽餐一頓，準備大殺一場！
未幾，天色漸明，元軍果然發起總攻：
——元將李恆先令部下晨炊蓐食，隨即指揮麾下水軍利用早晨退潮、海水南流的時機，乘潮渡過平時戰艦難以渡過的淺水，從北面順流沖擊，對宋軍發動了一場突襲。李恆令諸軍將戰船易尾為首，命舵師轉船逆行，徑搗宋陣柵欄。他們又用炮石、火箭作掩護，冒險插入宋軍艦隊主力所在。元軍跳上宋船後，砍斷纜索，短兵相接，發揮北軍之所長，掄刀猛砍。
張世傑自將江淮勁卒調輕舟殊死奮戰，盡管對方矢石蔽空而至，難以抵擋；卻仍然堅持激戰三個時辰之久，並不稍讓。
酣戰至午，殺傷相當。李恆督船深入宋陣，千戶林茂躍登宋船，千戶曾勝、百戶解清隨之而上，猛攻西北角上，北面的淮軍霎時被元軍擊潰。
俄而午潮猛漲、海水北流，李恆部下海船把持不住，只得趁勢而退，僅奪宋軍數舟而還。
此時張弘範船上傳出激昂的樂聲，宋軍聞之，以為元軍正在擺宴，稍微放鬆了警覺。
不期正在此時，南面的元軍又在張弘範的指揮下，乘潮順流，向宋軍船隊南面猛撲而來。李恆見了，立即又率北面海船載了拔都軍再次夾攻而至，與宋軍快船繼續惡戰。
只見海面上敵我雙方紛爭不絕，一時之間，喊殺聲震天動地。
張世傑雖然腹背受敵，仍率北面淮軍士兵兀自亡命地策應抵抗。只是淮軍士兵已然身心疲憊，兼之傷亡甚眾，俱無鬥志，根本無法扭轉被動捱打的局面。
張弘範趁勢激勵部下猛攻，始奪一艦。接著用先已高構戰樓於舟尾，用濕氈、布幕遮蔽四周，並早就埋下伏兵的船樓，以鳴金為進攻訊號，群襲而至。
張弘範事先便命軍士負盾而伏船樓中，令之曰：“聞金聲起戰，先金而外動者死！”又以己艦卑於敵，且出入艱，乃用“草船借箭”法，回艦尾抵左大，左大射矢集布障、桅索如蝟。伏盾者不動，在矢雨下駛近宋船。兩邊船艦接近，弘範度其矢盡，乃鳴金撤布，軍士去盾，齊出交戰。一時之間，弧弩、火、石交作，頃刻奪左大艦，並執左大。又與夏禦史戰，連破七舟。宋師大敗，“懾衄去，自投水”。諸將合勢乘亂，一路打到宋陣中央，皆殊死混戰。元軍士氣旺盛，兩軍船隻靠近時，紛紛登到宋軍船上，霎時只見宋軍船隻繩斷旗落，陣勢大亂。激戰四個時辰，時至黃昏，聲震天海，斬獲宋軍幾盡。
承宣使翟國秀及團練使劉俊等百餘人解甲就降。
張世傑看到陣中有一舟檣旗僕，諸舟之檣旗遂皆僕；心知己方全線潰敗，大勢已去，乃抽精兵入中軍，並下令砍斷繩纜，率十九艘戰艦護衛楊太後和閩沖郡王趙若和突圍。
張世傑率帥船殺到外圍，回頭看見幼主趙昺的禦船過於龐大，無法突圍，特別擔心，派人駕小船接趙昺到他的帥船中。當時天色已晚，海面上風雨大作，白霧茫茫，對面不辨人影。居於中軍保護皇帝的陸秀夫擔心混戰之後，來人真偽莫辨，惟恐為元軍假冒；也怕萬一張世傑突然變節，詐接趙昺獻與元朝，因此斷然拒絕來人將幼主趙昺接走。
張世傑無奈，只得命蘇劉義的長子，尚書、水軍都統蘇景瞻斷後，自與殿帥、少保蘇劉義、都統張達等率戰艦護衛著楊太後和閩沖郡王趙若和殺向崖門。
時弘範操小舟詣恆議事，世傑等乘間開南壁，率十九艦，突北兵、奪港門遁去。宋軍諸將見了，亦紛紛解纜，四散而走。恆與弘範等率元軍追至崖山口，值天晚風雨驟至，煙霧四塞，諸將各相失。弘範還，元軍李恆的艦隊繼續追趕，追至大洋，沒有追趕上，收到帝昺已死的訊息後也返航。
端明殿學士陸秀夫見趙昺的禦船過於龐大，且諸舟環結壅隔，自料無法突圍，只怕先朝的“靖康故事”重演，乃首先仗劍逼著妻子兒女跳海自盡；又換上朝服，回頭登昺船，對幼主趙昺說道：“國事至此，陛下應當殉國。德祐皇帝被俘，受辱已甚，陛下不可再受此辱了。”說罷，以金璽系主腰，即背負九歲的趙昺跳海壯烈殉國。
眼見大勢已去，諸臣、官兵、百姓及宮人皆不願被殘暴的胡人所奴役，多腰纏金玉隨之韜海自盡，死者數萬。
這場激戰過後，張世傑部總計有一百多艘船隻突圍出去，其餘八百多艘多被宋軍自行鑿漏沒於水，或被元軍俘獲。
張弘範勒石紀功於崖山之陽曰：“鎮國大將軍張弘範滅宋於此”，乃還。
七日，浮屍出於海十餘萬人。元軍發現其中一具屍體，幼小白皙，身著黃衣，懷帶“詔書之寶”印簽，於是將寶物上獻。張弘範問宋人尹都統，曰昺也，又問近侍數人，皆以為然，乃命人去尋屍體，竟不可得。只好以宋廣王溺死上報元廷。
傳說陸秀夫負幼主趙昺投海殉國後，幼主遺骸卻浮出海面。有群鳥伏在屍身上，遮住遺骸，隨海水漂流，一直漂到赤灣。赤灣海邊有間天後廟，這天，廟祝往海邊巡視，忽見海面有一具浮屍，上有群鳥遮蓋保護。廟祝大異，認為此浮屍定是異人的遺骸，便設法將它拖上岸來。浮屍上岸，群鳥飛去，露出一具童屍，身上穿著黃袍，面色紅潤如生人。廟祝早知崖山海戰之事，心知此必幼主趙昺的遺骸無疑。就在這時，海邊天後廟裡的一根棟梁突然塌下。廟祝與鄉紳父老認為此棟梁是天後娘娘送給少帝做棺材用的木料，便用它做成棺材，禮葬幼主於天後廟西邊的小南山下。
戰後，文天祥悲憤地寫下了《二月六日海上大戰國事不濟孤臣天祥坐北舟中向南慟哭為之詩》，曰：
