一度威胁国都升龙。但陈国峻坚守升龙，并让上皇、陈仁宗迁到安全地方暂避，令元军追赶不及而后撤，其后便据守万劫(位于今海阳省)。
再败元军
元军阵容庞大，但军粮亦快速消耗，需要从海路运送军粮补给。1287年(陈重兴三年)农历十二月，越将陈庆余在绿口湾设下伏兵，俘获元军水师将领张文虎的军粮船，夺走大批军粮、器械及若干人员。当上皇接见这些战利品时，便提出：“元兵所资者粮草器械，今既为我获，恐彼未知，犹或陆梁”，将被俘人员释放回元军阵营，使他们闻悉粮食被夺而军心动摇。
陈国峻为免元军从陆路运送粮食，便先行派军驻扎谅山地区，截断通路。脱欢无从选择，唯有返回中国。1288年(陈重兴四年)农历三月，元军退至白藤江，陈国峻命将领阮蒯走捷径先到达元军必经的河面，继而“王已植桩于白藤，覆丛草其上”，令河里的木桩陷阱不易被察觉。
《大越史记全书》记载当时战况，元军乘船渡河，越军“乘潮涨时挑战佯北，贼众(元军)来追，我军力战。水落，贼船尽胶，……二帝(太上皇及陈仁宗)将军继至，纵兵大战，元人溺死不可胜计，江水为之尽赤，及文虎至，两岸伏兵奋击，又败之。潮退甚急，文虎粮船阁桩上，倾覆殆尽，元人溺死甚众。”在战役中，元军多名将领被俘获。脱欢率领残军败逃途中，又不断遭越军伏兵攻击，元军最终以溃败的状态撤返中国。
议和杀俘
越南陈朝取得胜利后，随即派出使者入元，请求按前例向元朝朝贡。忽必烈亦无心恋战，应允和议，双方便恢复过往的宗藩关系。虽然忽必烈在去世前有意以安南国王不肯来朝为口实，再度兴兵侵越，但刚好因他的去世而计划终止。
越南陈朝将一批元军战俘遣返中国，唯独其中一名将领乌马儿因对越南人杀戮过多，陈仁宗恨之入骨，不愿放回，但又担心影响议和。陈国峻便想出，用船送乌马儿到海中，然后凿沉船，使之溺毙，元朝亦无从责怪。此一行径，被阮朝的嗣德帝批评为“不仁非义”，陈仲金亦认为批评恰当。
1289年(陈重兴五年)，朝廷论功行赏，陈国峻被进爵为大王。
病重去世
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