忽必烈仍不善罢甘休，于1268年（元至元五年，日本文永五年）九月派黑的、殷弘第三次来高丽，王禃派申思佺、陈子厚、潘阜等陪同他们去日本。蒙丽使团共八十多人在1268年（元至元六年，日本文永六年）三月抵达对马岛，日本人拒绝他们入境，双方发生冲突，最后蒙丽使团抓了两个对马岛人塔二郎、弥二郎，途经高丽去燕京。忽必烈对此十分满意，称高丽王和使者“忠节可嘉”，并告知两名对马岛人说：“尔国朝觐中国，其来尚矣。今朕欲尔国之来朝，非以逼汝也，但欲垂名于后耳。”厚加赏赐，让他们游览燕京万寿山玉殿及城阙，然后于同年秋放回。忽必烈让高丽使者金有成、高柔护送塔二郎、弥二郎回对马岛，并让他们携带要求日本臣服的蒙古中书省牒状及高丽国书。九月，少贰资能将这些文书送至镰仓幕府，随后呈达京都朝廷。十月十七日，京都朝廷决定回复，并命菅原长成起草日本太政官致蒙古中书省的返牒，指责蒙古以“凶器”（战争）相威胁，还自诩日本是所谓“神国”，“非可以智竞，非可以力争”，此外还起草了大宰府致高丽庆尚道按察使的返牒。但镰仓幕府坚持不回复蒙古牒状的强硬路线，所以京都朝廷所拟返牒并未被送出。金有成等滞留多时，无功而返。

在1268年（元至元五年，日本文永五年）第一次到达日本的高丽使节潘阜还在日本期间，忽必烈就打算对日本动武，命令高丽“备兵一万、造船一千”，以助蒙古征讨南宋或日本。黑的、金有成两批到达日本的使团出使相继失败后，忽必烈意识到日本“执迷固闭，难以善言开谕”，他对日用兵的决心也就更加坚定。至元七年（1270年）十一月，蒙古设置屯田经略司于高丽凤州（今朝鲜黄海北道凤山郡），并忻都、史枢为经略使，领兵5000人屯田于与日本隔海相望的金州，归顺蒙古的高丽人洪茶丘亦率旧领民2000人屯田，以备进攻日本。忽必烈还再次要求高丽准备兵马、战舰、资粮，配合蒙军从海路攻打南宋或日本。与此同时，忽必烈继续派遣使节招谕日本，承担任务的人是在蒙古朝廷任职的女真人赵良弼。忽必烈起初安排他在高丽当屯田经略使，他认为在高丽屯田不合适，屡次推辞，忽必烈就授予他秘书监之头衔，以国信使的身份出使日本。赵良弼及忽林赤、王国昌、洪茶丘所带卫兵于至元八年（1271年）正月抵达高丽，其后高丽派译语别将徐偁等陪同。九月十九日，一共百余人的使团在日本筑前国今津登陆，双方以武装相待，气氛十分紧张，赵良弼坚持要得到回信，而镰仓幕府也决不妥协。赵良弼的国书副本尽管被迅速递至镰仓幕府，并送到京都朝廷，但最终仍因其中有挑衅性的内容而不作回答。赵良弼所提出的面见幕府将军（惟康亲王，无实权）及国王（龟山天皇，无实权）呈交国书的要求，亦因“蛮夷者参帝阙事无先例”而被拒绝。另一方面，少贰资能通过曾为入宋留学僧的同筑前国姪浜兴德寺禅僧南浦绍明与赵良弼酬唱诗歌，以此来缓和双方关系。赵良弼在日本期间，忽必烈建汉式国号“大元”，此后与日本的往来也开始以“大元”名义进行。

至元九年（1272年）正月，赵良弼从对马岛出发，带着所谓日本大宰府守护所的使臣弥四郎等12人（一说26人）回到高丽。他先派自己的副手张铎回大都报告出使情况，自己留在了高丽。日本方面后来称这些使臣是赵良弼找对马岛人冒充的，而忽必烈则怀疑是日本国主以守护所名义派出的，故听从儒臣姚枢、许衡的意见，不准觐见，于三月将其遣还。五月，忽必烈又让张铎传达“令必通好大朝”的国书，不得回复，又派赵良弼第二次出使日本，同样滞留大宰府一段时间后空手而还。此行基本不具备外交意义，而是战前侦察。赵良弼于1273年（元至元十年，日本文永十年）从高丽回到大都，向忽必烈复命，详细汇报“日本君臣爵号、州郡名数、风俗土宜”，他提到日本民俗凶悍、不知礼义、无耕桑之利以及海上交通的不便，得出“勿击便”（最好不要打日本）的结论。忽必烈称赞他“不辱君命”，并听从其建议。

不过，忽必烈并不愿意放弃已经紧锣密鼓筹备起来的东征日本计划。1272年（元至元九年，日本文永九年），在讨伐躲在耽罗（今济州岛）的高丽抗蒙势力三别抄时，元朝意外抓到三个熟悉日本的耽罗人。元朝枢密院经过对他们的审讯，不仅“画到图本”，还获悉“日本太宰府等处下船之地，俱可下岸”，估算登陆军队规模为2万至3万。到1273年（元至元十年，日本文永十年）时，襄阳已失守，无需再从海上进攻南宋，所以忽必烈在对高丽的造船要求中不再包含进攻南宋的目标；而盘踞耽罗的三别抄也被消灭，使元朝不再有东征日本的后顾之忧，并获得跨海作战的经验，因此忽必烈并未真正听从赵良弼的建议。在赵良弼复命当年的九月，襄樊之战的宋军战俘被押送大都时，忽必烈就派伯颜宣布赦免他们，并让他们从征日本。忽必烈又派总管察忽于1274年（元至元十一年，日本文永十一年）正月来到高丽，监造战舰300艘，又令洪茶丘监督，从正月十五日开始。高丽王也任命侍中金方庆为东南道都督使，枢密院副使许珙为全州道都指挥使，右仆射洪禄遒为罗州道指挥使，又遣大将军罗裕等为诸道部夫使，征集工匠役徒30500余人。为了赶工，金方庆将元朝原定的“蛮样”（南宋船只式样）改成相对落后的“本国船样”（高丽船只式样），获得元朝批准。三月，元朝派一个姓王的总管来高丽，正式命令高丽发兵五千，助征日本。五月，忽必烈将自己的亲女儿忽都鲁揭里迷失下嫁高丽世子王谌，同月，15000名元朝东征官兵进驻高丽，这些军队除了之前提到的南宋战俘外，还包括屯田军、女真军和水军。六月，高丽王派大将军罗裕向元朝报告已造好900艘战船，正待命于金州。八月，元军东征统帅忽敦来到高丽，加发高丽京军458人。

另一方面，幕府执权北条时宗也在展开防备元朝的一系列应对措施。1272年（元至元九年，日本文永九年）二月，赵良弼刚走，北条时宗就命九州各国的御家人停止“大番役”，改为“异国警固番役”，轮流去北九州沿岸的筑前、肥前等要害地区执行一定天数的警戒任务。此后不久，镰仓幕府还命令诸国制作并呈报“大田文”，普查全国的经济和军事潜力。同时，北条时宗制造“二月骚动”，除掉同父异母的长兄北条时辅及名越时章等人，然后将原由时章兼任的筑后、肥后和大隅三国守护，分赐给了自己的亲信大友赖泰（筑后守护）、安达泰盛（肥后守护）、千叶宗胤（大隅守护），从而加强了对九州地区的控制，以应对元军的进攻。

1274年（元至元十一年，日本文永十一年）十月初三日，在失期的女真军赶来后，元丽联军终于从合浦（今韩国庆尚南道昌原市马山合浦区）出海，拉开了东征日本的序幕。其指挥官阵容如下表：

据《高丽史》记载，出征前进驻高丽的东征元军有15000人，元朝签发的高丽军有5458人（前文已述）。但到了出征时，元朝方面的蒙汉军达25000人，而高丽军则有8000人。《经世大典》也记载东征元军为25000人。元朝方面亦有记载称东征元军20000人，可能是后来进驻高丽的15000人加上原来屯田高丽的5000人。总之，元丽联军的兵力在30000人左右。此外还有8000名梢工、6700名引海水手。

元丽联军乘坐900艘战船，于十月初五日抵达对马岛。对马代理守护宗资国（又作宗助国）在翌日晨率八十余名武士迎战于佐须浦，因寡不敌众而战死殆尽，只有小太郎、兵卫次郎等少数人生还，奔赴博多报告战况。随后元丽联军入岛，“击杀甚众”。

经过数日休整，元丽联军又于十月十四日下午登陆壹岐岛。壹岐的守护代平景隆率领100余名御家人，在一座叫“庄三郎城”的城堡前和元丽联军对射，日军大败，被斩超过千级。平景隆败退城内，翌日自杀。至此，元丽联军占领了对马和壹岐这两个补给线上最重要的站点。

十月十六、十七日，元丽联军中袭击肥前沿岸的松浦半岛，松浦党的武士也被击败，御家人佐志房等数百人阵亡或被俘。被元丽联军袭击的三地百姓中，男子或被杀，或被掳，女子则集中于一处，部分人被挑选上船，其余放回。

镰仓幕府接到对马、壹岐被攻击的急报，命九州的御家人集结于大宰府的博多迎战。然而，萨摩、日向、大隅等南九州的御家人在前往博多之际，必须要渡过被称为九州第一难关的筑后川神代浮桥，因此很难在元丽联军登陆之前到达博多。与此相对，筑后的神代良忠设法使南九州的诸军顺利渡过浮桥，会合于博多，后来获得北条时宗的嘉奖。赶来参战的武士来自少弍氏（少贰氏）、大友氏、臼杵、户次、松浦党、菊池、原田、小玉党，还有附近一些神社和佛寺的僧兵，萨摩守护岛津氏麾下的武士负责博多湾北部箱崎方面的守备，总兵力据说有102000人之众。

十月二十日早晨，元丽联军在早良郡的百道原、博多、箱崎一线分道登陆。在百道原方面，少贰资能之孙、十三岁的少贰资时按照武士作战的“矢合”习惯，向对面的元丽联军射出一支小响箭，示意战斗开始。元丽联军见状，一阵哄笑。元丽联军敲打大鼓和铜锣，令日本武士所骑之马狂躁乱跳。随后战斗打响，元丽联军“箭如雨降”，令日本武士措手不及。据说箭矢上还涂了毒药，中箭者过不了多久，就伤口剧痛，倒地哀号不止。元丽联军还时不时抛出纸或铁包裹的“炸弹”（铁砲）。爆炸之后，火光四散，烟气弥漫，声如雷震，令日军头晕目眩，惊慌失措。一旦有零星的日本武士突入，元丽联军“左右回围之，协力合击，（日军）无一人得生脱者”。双方激战至日暮，日军大败，“伏尸如麻”，元丽联军占领百道原东的赤坂高地。但日本人多势众，其生力军陆续赶来，趁着元丽联军刚从赤坂的高地下来布阵、在松原立足未稳之机，肥后的御家人菊池武房率领130名骑兵、诧磨赖秀率领100名骑兵，从后方出其不意地杀过来，冲乱了元丽联军的阵势。其他武士也相继投入厮杀，为了暂避锋芒，元丽联军不得不分两路，大部分退往麁原，一部分退往别府的塚原，打算在鸟饲汇合后重整阵形。战斗期间，元军“虏掠四境”，在佐原、筥崎、宇佐一带掳走数万老弱妇孺。

在博多方面，左副元帅刘复亨与少贰资能之子少贰景资遭遇，并中箭受伤，退回船上。当晚，日军退守太宰府附近的水城，而元丽联军内部也召开会议，讨论进退。金方庆说：“兵法上说：‘千里悬军，其锋不可当。’我军人数虽然不多，但既然进入了敌境，士兵人人都会拼命。孟明视渡河之后就把自己的船烧了，淮阴侯韩信背水列阵，都是这个道理。还请大帅下令，明日继续战斗。”忽敦说：“但是兵法上也说：‘小敌之坚，大敌之擒。’我军目前已经很疲劳了，敌军的增援越来越多。这么硬拼下去不是办法，还是撤退吧！”鉴于刘复亨已经受伤，元丽联军箭矢也在一天的战斗中消耗殆尽，因此达成了撤退的决定。然而撤退当晚，出现“大风雨”，元丽联军“战舰触岩崖多败”，高级将领中有高丽左军使金侁落水身亡。十月二十一日，日军发现志贺岛有一艘触礁战船，将船上130余名元军斩首或俘虏。

元丽联军在撤退途中可能进行了修船和休整，直到十一月二十七日才回到合浦，损失多达13500余人。其中多数战死或溺死，少数人如杜肺子、白德义、羡六郎、刘保儿等被俘，亦有一名出身儒生的万户投降日本。事后元日双方都对有功人员进行了嘉奖，但忽必烈并未达成战略目标，于是在七年后又发生第二次元日战争。

1275年（元至元十二年，日本建治元年），忽必烈派礼部侍郎杜世忠、兵部郎中何文著携国书宣谕日本。三月抵达高丽，高丽派翻译（舌人郎将）徐赞和三十名梢工陪同出使。元使一行于四月十五日在长门国的室津登陆，随即遭到扣押，八月才由太宰府护送北上，绕开京都，前往镰仓。九月初七日，北条时宗下令将杜世忠、何文著、徐赞以及计议官撒都鲁丁（回回人）、书状官果（“薰畏国人”，可能是畏兀儿人）五人押至龙口斩首。梢工、水手都被扣留，所以元朝长期不知道使团遇害的消息。

在等待杜世忠消息的同时，忽必烈也在擘画第二次东征日本的事宜，命高丽造船造箭。后听从王磐建议，专力灭宋，故一度中止高丽的准备工作。南宋灭亡后，忽必烈向南宋降将范文虎、夏贵、吕文焕、陈奕等询问日本是否可伐，他们都赞成，唯独耶律楚材的孙子耶律希亮反对，强调中国统一后休养生息的重要性，忽必烈认为耶律希亮说的有道理。但忽必烈还是放不下东征日本之事。1279年（元至元十六年、日本弘安二年）二月，崖山海战刚结束，忽必烈就命扬州、湖南、赣州、泉州四省造战船600艘（后湖南取消），六月让高丽造战船900艘，都是为了东征日本。同时，忽必烈授权夏贵、范文虎以他们的名义派原南宋人周福、栾忠以及翻译陈光、渡宋日本留学僧晓房灵果组成的使团出使日本，等待他们回来后再决定是否用兵。六月二十五日，使团在博多登陆，镰仓幕府看到他们带来告知南宋灭亡、劝说日本归顺元朝的“大宋国牒状”后，就将他们全部斩于博多。八月，一些使团艄工、水手逃到高丽，告知杜世忠等已被杀的消息，高丽王派郎将池瑄带着这些幸存者赴元急报。1280年（元至元十七年、日本弘安三年）二月，忽必烈得知这个消息，征东元帅忻都、洪茶丘请求让自己出征，但群臣建议推迟。然而到了六月，忽必烈又单独召见范文虎，讨论东征日本事宜。七月，忽必烈命令动员之前愿意参军的人以及崖山海战中的南宋溃卒，将他们用于征讨日本，范文虎则负责召集之前投奔南宋的蒙古、回回人。此时高丽国王王䞐（原名王谌，即忠烈王）来上都朝觐，八月二十六日谒见忽必烈，讨论东征日本事，并与忻都、洪茶丘、范文虎约定，由忻都、洪茶丘指挥蒙、汉及高丽军四万人从高丽合浦出发，范文虎率南宋降军十万人从江南出发，会师于日本壹岐岛，然后直取日本。此外，忽必烈批准高丽国王的请求，授予高丽将领金方庆、朴球、金周鼎以元帅、万户之职，赐虎符，提高高丽将领的地位，又于十月加派东北开元等路的三千人投入东征（其中有朝鲜王朝开国之君李成桂的曾祖父李行里）。

在元朝积极备战之时，镰仓幕府也在防备元军再次来犯，着手构筑和加强九州沿海防御机制。于1276年（元至元十三年，日本建治二年）命令九州各地的庄园主按领有田地的多少出钱出力，在博多沿岸建造了一道绵延20多公里的高2米、底部宽3米防御工事，称为“石筑地”（今名“元寇防垒”）。此外，镰仓幕府还于1275年（元至元十二年，日本建治元年）十二月制定了“异国征伐”计划，准备以九州岛为中心，动员山阴、山阳和南海诸道武士在次年三月出兵高丽，以攻为守。虽然“异国征伐”计划最终未能实行，但是被集合于博多湾一带的船只和兵力长期留在九州北岸一带，负责该海域的警备工作。北条时宗还利用备战的紧张状态，把九州和其他几个国（筑后、肥前、肥后、周防、长门、石见、伯耆、越前、能登）的守护换成了自己的亲信，进一步强化执权的权力。同时，镰仓幕府还对日本各寺社下达“异国降伏祈祷令”，通过宗教活动来提升幕府的权威。

1281年（元至元十八年，日本弘安四年）二月，东征诸将陛辞，忽必烈告诫他们两点，一是不准滥杀百姓，二是诸将务必抛弃个人恩怨，同心协力。元丽联军兵分江南路和东路军两路，忽必烈设立“日本行中书省”（日本行省）和“征东行中书省”（征东行省）两个机构，作为这次战争的指挥部，分别管理两路军队。阿剌罕被任命为日本行省的最高长官——右丞相，统率40万蒙古军东征，但并未马上出发，可能是为了在江南军和东路军站稳脚跟后的接收和增援（即“征东留后军”）。然而阿剌罕已身患重病，忽必烈听说后，于六月二十六日下令以阿塔海替代。不久后的七月初六日，阿剌罕卒于庆元（今浙江宁波）的元军大本营中。征东行省则由高丽国王王䞐主管，由忻都、洪茶丘分别任右、左丞。

此次战争中，元丽联军阵容如下：

就东路军的情况来看，元丽联军不仅携带三个月的军粮，还携带了锄、锹一类的农具，似乎做好了长期占领和屯田的准备。

东路军首先于五月初四日乘坐900艘战船从合浦出征。他们计划于六月十五日与江南军会师于壹岐岛。五月二十一日，东路军之一部在世界村大明浦登陆对马岛，期间遭遇大风，不少军人被淹死，金周鼎设法救活了不少人。上岸后，东路军派通事金贮檄谕，高丽将领金周鼎与日军首先交锋，高丽郎将康彦、康师子战死。二十六日，向壹岐岛进发，途中遭遇风暴，水军113人、梢工36人失踪。据说两岛有三百多名百姓被杀。

六月六日，东路军在志贺岛登陆，避开了西边横亘博多湾沿岸的“石筑地”防线。日军获悉东路军转向志贺岛，急忙分兵，一路自陆地驰援，一路乘船出发，袭扰元军的海上大营。六月六日当夜，双方就开始了零星的海战。备前国的御家人草野次郎经永带领郎党分乘两艘小船，在夜色的掩护下，袭击了一艘东路军战船，斩首21级，烧船而退。第二天，为了防备夜袭，东路军“舳舻十里，以锁联之，为圜营外向”，并在甲板上布置了石弩，此后就击退了日军的袭击。

忻都先派出小股精锐部队，携带轻便武器，抢占岛上和海中道几处关键的阻击阵地。六月八日，元军百户张成率军携带“缠弓弩”，登岸迎战自海中道来袭的日本军，夺占险要，双方相持到日暮。天黑前，日本军最后一次尝试突破，张成又返回击败。六月九日，日本大军来战，东路军的大部分也陆续登陆，洪茶丘命金方庆、金周鼎、朴球等人所率的高丽军以及荆姓万户等人所率的蒙汉军迎战肥后国守护安达盛宗麾下的日军。交战伊始，东路军斩三百余级。张成也趁机率部下“入阵奋战”，重创日军。关键时刻，日本援兵突然杀到，东路军溃败，洪茶丘弃马逃走，一个姓王的万户带兵从侧后方赶上来，杀死50多名日本武士，才勉强击退了追兵，使洪茶丘得救。十日，再战，东路军又败（亦有记载称元军大破日军，擒获了据称是少贰经资之弟的一个叫“宗资”的人）。此外，当时京都还盛传有一支300艘战舰的元军奇袭本州岛的长门国，但除了给京都造成恐慌外，并无太多信息可以确认。

此后，东路军内部开始流行瘟疫，三千余人病死。六月十五日左右，东路军退至壹岐岛。此时忻都、洪茶丘有意退兵，便与金方庆举行会议，表示范文虎失期未至，东路军先打了几仗，如今“船腐粮尽，其将奈何”。金方庆不答，只好暂缓撤军。十余日后，忻都、洪茶丘再次与金方庆讨论撤军，金方庆表示：“我们奉圣旨带着三个月的粮食，如今还有一个月的粮食在，等江南军来再合攻，必定消灭日本人！”于是忻都等继续等待江南军。

五月初，东路军出发后没几天，日本行省参议裴国佐等就提出了新的会师方案，即依据当年三月漂到中国沿海的日本船工所提供的地图和情报，将会师地点移至大宰府西面的防守松懈、利于大船停泊的平户岛。可能是由于作战计划的变动，江南军迟至六月十八日前后才从庆元、定海出征。动员的船只多达3500多艘，时人称“隋唐以来，出师之盛，未之见也”。期间，船队一度偏离航向，驶至耽罗。直到六月二十四日或稍早，江南军前锋50艘战船才抵达对马岛，其后向壹岐岛与东路军会合。六月二十九日，松浦党、彼杵、千叶、高木、龙造寺、岛津等各方势力组成的数万日军直扑壹岐岛，试图歼灭东路军。经过六月三十日和七月初二日两次战斗，东路军通过火器等优势武器而取得胜利，少贰资能伤重而死，孙子少贰资时也战死。其后，东路军放弃壹岐岛，前往平户岛与江南军会师。

七月二十七日，会师后的元丽联军在留下张禧率四千人守备平户岛后，主力移至鹰岛（中国史料称竹山、五龙山等，另有不同说法），途中曾击退日本船只的攻击，然后准备登陆进攻大宰府，然因种种原因而“迟疑不发”。最后决定在八月初二日展开登陆作战，但在八月初一日（日本所用的宣明历为闰七月初一日）夜，海上突然刮起大型台风。据亲历者宋无回忆称，当时“雹雨风交作，舟不得泊，随惊涛上下触击，皆碎”“洪涛万丈涌山起”，元丽联军大半被淹死，海中的浮尸“随潮汐入浦”，把水面堵得严严实实，甚至能够踏着尸体在海上行走。遭到毁灭性打击的是江南大船，不过也有也速台儿所率的数百艘江淮战船，可能因为质量好的缘故，在台风中未受损失。东路军所乘的高丽船只则因小而坚得以大体保全下来（其中的左副都元帅王雍被淹死）。

幸存的元丽联军官兵集合于近旁的小岛上，东征诸将为下一步如何行动而起了争执，到了八月初五日，诸将带着各自剩下的直属部队，草草收拾了一下还能浮动的船只，先向平户岛撤退。同日，撤退途中的三艘元军战舰在御厨子崎海域遭到日军追击。此前，张禧的军队不仅在岛上筑垒，而且各舰还“相去五十步止泊，以避风涛触击”，所以未受台风影响。范文虎一行到了平户岛，张禧劝其“因粮于敌以进战”，范文虎坚持要走，并保证还朝后自担其责，于是张禧只好分了一些船给范文虎一行，然后丢弃船中的七十匹马，带着自己的兵同范文虎们回高丽合浦。八月十五日左右，东征诸将抵达高丽合浦，此消息于八月十六日传至高丽王所在的安东行宫。元丽联军丧师10万以上，随诸将归来的只有不到3万，其中高丽方面回来的人员就有19397人（含梢工）。

在东征诸将撤回期间，鹰岛打响了元日战争最后一役。据后来幸存逃回的士兵于阊、沈聪等的控诉，留在鹰岛的元丽联军还剩十余万。但元丽联军加起来就十四万人左右，因为有东路军的战斗与瘟疫、台风造成的巨大损失以及后来诸将带回的部队，所以这个数字显然是夸大了的。日本方面记载鹰岛残兵有数千人，可能更接近事实。这些被遗弃的元丽联军推一个姓张的百户为首领，称“张总管”，在岛上“伐木作舟”，修补受损战船，以备撤离。八月初七日，少贰景资率领的日军登上鹰岛，扫荡残余元军，元军因饥饿而丧失战斗能力，几乎是束手待毙，最后有一千余人请求投降。这些人中，蒙古人、高丽人和北方汉人都被押至中河（那珂川）岸边斩首，南方汉人被称为“唐人”，免死为奴（一说留下的是工匠和农民），其后他们当中的于阊、莫青、吴万五、沈聪等极少数人成功逃回。

第二次元日战争期间，镰仓幕府部署了增援兵力，派来自六波罗探题的引付众宇都宫贞纲率60000骑兵前赴九州。当先头部队行至长府时，就获悉元丽联军因遭遇台风而土崩瓦解的消息。日本“上下大庆”，龟山上皇和他的母亲大宫院、后妃新阳明门院一同祭拜石清水八幡宫，举行盛大的还愿和放生法事。同时，京都朝廷命令在西大寺由长老思圆领着数百和尚为战争中殉国的日本将士诵经超度三日三夜。而镰仓幕府则再次宣布“异国征伐”，试图讨伐高丽以报复，但最终仍未落实。此后，镰仓幕府不断派间谍侦察元朝动向，一直处于防备元朝的紧张状态。

高丽方面接到东征诸将归来的消息后，紧急派人去元朝禀告。忽必烈在上都得知败报，为之“震怒”，八月二十九日命留在高丽的残兵败将回国。闰八月二十四日，高丽派潘阜慰劳忻都、洪茶丘、范文虎，随后三将带着他们所属将士返回元朝。他们向忽必烈解释称，他们在遭遇台风后还想战斗，无奈万户厉德彪、招讨王国佐、水手总管陆文政等不听节制，擅自逃脱，他们见军心如此涣散，只好撤走，后来于阊等逃回，诉说真相，除了张禧外的东征诸将都获罪，但如何惩罚则不得而知，《元史》记载1282年（元至元十九年，日本弘安五年）十二月曾命将范文虎等所拥有的300艘海船移交阿塔海，可能是一项惩罚措施。但不管怎样，东征诸将并未被重惩，之后继续获得任用。

东征失败当年十一月，忽必烈下令将还没出发的“征东留后军”用于守备庆元、上海、澉浦三处海港。十二月，忽必烈下令撤销日本行省，翌年正月撤销征东行省，似乎有罢兵之意。但终其一生，忽必烈对东征日本失败之事耿耿于怀，很不甘心，此后多次遣使招谕和筹备征讨，主要有如下四次：

忽必烈第三次东征日本的计划之所以屡屡流产，除了江南的动荡以及与安南的战争等客观因素外，还有元廷内部强大的阻力。除了之前提到的赵良弼、耶律希亮和王磐外，对东征日本明确表示反对意见或请求暂缓的大臣或近侍还有贾居贞、徐世隆、相威、昂吉儿、崔彧、刘宣、申屠致远、田忠良、张康等人。最有力的反对者就是皇太子真金，他直接促成了“弭兵日本”（可能是1282年到1285年期间东征计划的暂停）。但忽必烈始终解不开这个心结，直到他去世，元朝才无期限冻结了东征日本的计划。

1298年（元大德二年，日本永仁六年），江浙行省平章政事也速答儿向忽必烈的继承者铁穆耳（元成宗）请求东征日本，铁穆耳表示：“今非其时，朕徐思之。”但在翌年决定派如智的继承者一山携诏书随商船赴日，表达“通好”之意。一山被执权北条贞时扣留，后来留在日本讲法并圆寂。此后，元日之间不再有官方往来，但民间的贸易和文化交流则因战争阴影的消散而日益频繁。

第一次元日战争规模较小，对元朝影响不大。第二次元日战争及第三次东征日本计划对元朝刚征服的江南地区有很大影响。元朝平定南宋后，不仅没有及时休养生息，反而为了东征日本而要求江南人民服役造船，导致民间怨声载道，不少人发动了反元起义，规模最大的是福建黄华起义，小规模的“盗贼”不下二百处，到1289年（元至元二十六年，日本正应二年）的“盗贼”更是达到四百多处。这些对元朝统治的反抗也牵制了元朝对日本的用兵，成为忽必烈的第三次东征日本计划胎死腹中的一个重要因素。

元朝征日失败的教训也为后来的明朝所吸取，朱元璋建立明朝后，派往日本的使节中有多人被杀，所谓“日本国王良怀”（实为日本南朝征西将军怀良亲王）又呈上言辞不逊的表文，倭寇依然骚扰沿海，朱元璋本欲发兵征讨日本，终于按捺怒火，没有用兵，就是因为“惩元军覆溺之患”。

元日战争是日本历史上第一次受到来自大陆的大规模军事攻击，被认为是一大“国难”。镰仓幕府成功克服“国难”，提振其“武威”，巩固了“得宗专制”的局面。但另一方面，由于幕府在国内的军事动员、征军粮等，致使日本的很多庄园不能纳贡，或年贡削减了一半或更多。而且，幕府并未从战争中获得土地和财富，之后还继续保持防备元朝第三次来攻的紧张态势，故难以对自费出征并立下战功的武士提供足够的恩裳，造成武士的贫困化，镰仓幕府不得不下达“德政令”以救济武士。与此同时，“得宗专制”借着战争局面而大肆膨胀，对武士的控制进一步加强，引发了武士对北条氏的不满，这也成为北条氏所主导的镰仓幕府在与元日战争五十年后垮台的一个原因所在。

日本武士在迎战东征元军时，虽然士气高昂，作战勇敢，但在装备上落后于元军，而且面对元军的集团作战，习惯个体冲锋（一骑打）的武士颇为吃力，对于元军并无必胜把握。然而在第一次战争中，元朝准备不足；在第二次战争中，又遭遇台风，才使日本得以渡过难关。这种胜利使日本人产生一种幻觉，确信自己是在神佛庇佑下的国家，不受诸国之攻，延绵不断，是为神国思想（神国思想早已有之，其膨胀是以元日战争为契机）。元日战争期间显灵的神佛有八幡大菩萨等，导致元朝大量军舰覆没的台风被称为“神风”（かみかぜ/Kamikaze）。这种意识到了近代被日本军国主义利用为侵略扩张的思想工具，如日俄战争期间日本所建造的驱逐舰和太平洋战争期间袭击美军的日本航空队都用“神风”命名（神风型驱逐舰、神风特攻队）。

高丽自13世纪初受到契丹（东辽）、蒙古入侵以来，连年陷入战乱。东征日本虽然不是发生在其本土，但因元朝的强迫而不得不投入大量人力、物力来备战参战，导致高丽的战后恢复工作受阻，国力民生日益疲敝，正如高丽对元朝哀诉称“以累次征役，中外公私既竭，又因造船，农务失时”。同时，高丽参加元日战争也导致倭寇开始不断报复高丽，高丽不得不在战后在金州、合浦、固城、全罗等处设置镇边万户府，以防备日本。

另一方面，高丽履行了作为元朝藩属国的义务，尽力助征日本，从而获得了元朝对高丽的信任，保障了高丽在蒙古世界秩序中的地位。此后征东行省常设化，都由高丽国王出任丞相。元朝嘉奖高丽国王说“责秉钧以东征，期奠枕夫南面”，就反映出元朝在元日战争后对高丽信任感的增加。

元日战争的主要争议集中于天气因素（海上风暴）对战局的影响。第一次战争中，元朝方面没有遭遇风暴的记载，而《高丽史》却有元丽联军撤退当晚遭遇“大风雨”并导致“战舰触岩崖多败”的记载。日本京都的公卿广桥兼仲的日记《勘仲记》也记载了元丽联军战舰被大风吹走的传闻。但日本的气象学者荒川秀俊认为十月（阳历11月）早已过了台风季节，《八幡愚童训》等多数日本史料也没有提及这次“大风雨”，故高丽方面的相关记载不可靠。也有认为确有所谓“大风雨”，不过并非台风，而且是在撤退途中发生，对战局没有影响。

第二次战争中出现台风是元、丽、日大量史料均有明确记载的事实，日本人所说的“神风”一般指的就是第二次战争中的台风。然而这次暴风雨是否为战争胜败的决定因素，学界则有不同观点。日本历来强调“神风”的威力，视为日本渡过国难的关键，中国台湾学者李则芬也认为如果没有台风，日本武士很难战胜元军，但又说元军迟迟不登陆才导致他们遭遇台风，故其失败含有人为的因素。另一些学者则主张如果没有台风的话，元军即使取得若干战役胜利，也很难征服日本。

20世纪80年代以来，在日本水下考古学者林田宪三的主持下，从鹰岛海域中发掘出了剑、矛头、石磨、锚杆、投石机的石丸以及船舶碎片等。他们的研究结果是：为了应付忽必烈快速建造大量船只的要求，江南的造船匠们只好时拼凑。他们挑选一切可利用船只，不管它是否适于航海；好一些的就交付使用，差一点的就用相同材料改造一下。除了高丽人建造的新船（尚未在鹰岛发现）以外，忽必烈舰队中绝大部分是缺少龙骨的河船，根本不适于远洋航行。因此，如果元军能够充分准备的话，即使有台风，也不会遭遇如此巨大的损失而被迫撤退。