行营兵寨悉数烧毁，并切断了宋军的淡水来源和粮草供应，迫使宋军全部退至海上。宋军为夺回水源和粮道，多次反攻，均难以奏效，宋军就此陷入了粮、水、柴断绝的绝境，在饥饿和伤病的侵扰下，宋军的战斗力大为降低。
此后，元军从海上采取火攻，但宋军早有预防，在一些战船上涂抹海泥，加上将士拼死抵抗，元军并未占到多少便宜。不过经过几次攻打，元军迫使宋军阵形收缩，元军水师则占据了崖门外海，与崖山上的元军一起形成了对宋军的海陆包围。
二月六日(1278年3月19日)凌晨，元军副帅李恒率战船顺着退潮从北面顺流而下，进攻宋军船阵，但战果不大，至中午涨潮时又顺潮北退，而已经布置于南、西、西南三个方向的元军在张弘范的带领下则顺潮水北进，从崖山与汤瓶山之间的崖门水道向宋军船阵展开攻击，很快就夺取了宋军前阵并烧毁了宋军几十艘战船。此时宋军主帅张世杰在慌乱之下又下了一道错误的命令，将两侧战船调往中军，更使宋军阵形大乱。
午后，海面突降大雨，宋军急忙砍断铁索，趁着雨雾开始突围，但仅有张世杰带着十几艘大船冲出元军重围，包括宋帝御船在内的宋军大部被元军越围越紧，陆秀夫在绝望之下先逼妻儿投海自尽，然后自己抱着宋幼帝跳海而亡。逃出重围的张世杰后来在阳江南面的海陵岛附近遇上风暴，船翻人亡。
此役，元军共烧毁、击沉宋军战船二百余艘，缴获八百余艘，俘虏宋军两万多人，宋军战死十万人以上。宋朝皇室在临安(今杭州)向元军统帅伯颜投降后，宋廷残部南逃，经历三年二帝，就此彻底灭亡了。
崖门海战是中国古代最大的一次海战，其参战兵力、舰船和伤亡人数之多，在我国古代海战史上都是空前绝后。双方水军战死人数绝对远超二十万。古时传言，浮尸百里。
当时目睹了海战全过程的南宋将领文天祥(在江西组织抗元义军兵败被俘押解至此)作诗日：
《二月六日海上大战国事不济孤臣天祥坐北舟中》
长平一坑四十万，秦人欢欣赵人怨。
大风扬沙水不流，为楚者乐为汉愁。
兵家胜负常不一，纷纷干戈何时毕。
必有天吏将明
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