Quân đội Mông-Nguyên
Ngày 21 tháng 7 năm 1284, Hốt Tất Liệt phong con trai thứ 9 của mình tên Toghan (Thoát Hoan)[11] làm Trấn Nam vương. Ariq Qaya, viên tướng xuất sắc người Uigur của nhà Nguyên, được chọn làm phó cho Thoát Hoan, và được phong làm An Nam hành trung thư tỉnh tả thừa tướng. Các tướng lĩnh đáng chú ý khác của đội quân Nguyên là Lý Hằng - viên tướng xuất sắc người Tây Hạ của nhà Nguyên, Koncak (Khoan Triệt, người Uzbek), Bolqadar (Bột La Hợp Đáp Nhĩ), Satartai (Sát Tháp Nhi Đài), Mangqudai (Mãng Cổ Đái), Naqai (Nạp Hải), các tướng người Hán là Lý Bang Hiến, Tôn Hựu, Tôn Đức Lâm, Lưu Thế Anh, Lưu Khuê, Nghê Nhuận.[12]
Đặc biệt, nhà Nguyên sai Tangutai đến Chiêm Thành để truyền lệnh của vua Nguyên điều đạo quân Nguyên đang chinh phạt Chiêm Thành chuyển sang chiến trường Đại Việt hòng tạo thêm một cánh quân đánh từ phía Nam, hợp với cánh phía Bắc của Thoát Hoan tạo ra thế gọng kìm bao vây Đại Việt ở giữa. Đạo quân này lúc xuất phát từ Quảng Đông đi Chiêm Thành gồm 20 vạn quân do Toa Đô chỉ huy. Không rõ sau mấy năm chiến đấu với Chiêm Thành trong điều kiện đói khát, quân số của đạo quân này khi đánh vào Đại Việt là bao nhiêu.[13][14]
Tổng cộng nhà Nguyên huy động tới 50 vạn người (một số nguồn khác cho rằng quân Nguyên đông khoảng 30 vạn). Đây là lần xuất chinh với quân số lớn nhất mà nhà Nguyên từng thực hiện, so với dân số thời đó thì đoàn quân này có quy mô cực lớn. Để so sánh, khi nhà Nguyên tấn công Nhật Bản vào năm 1281, họ cũng chỉ huy động 14 vạn người, dù dân số và diện tích Nhật Bản lớn gấp đôi Đại Việt thời nhà Trần. Sau này người Việt có câu ví von "Đông như quân Nguyên" là vì nguyên do này.
Để phục vụ cho lực lượng chinh phạt Đại Việt, nhà Nguyên đã chuẩn bị 3 vạn thạch lương. Lực lượng quân y do Trâu Canh chỉ huy.[15] Vua Nguyên sai sứ đòi Đại Việt phải cho quân Nguyên mượn đường và cung cấp lương thảo để chinh phạt Chiêm Thành. Vua Trần từ chối vì biết đây chỉ là kế "Mượn đường diệt Quắc".
Quân đội Nhà Trần
Về phía Đại Việt, các vương tôn nhà Trần được lệnh tuyển thêm quân vào các lực lượng riêng của mình. Quân đội liên tục được tập trận. Cuối tháng 11 đầu tháng 12 năm 1282, ngay sau khi nhận được tin tình báo về ý đồ của nhà Nguyên, vua Trần đã triệu tập một hội nghị quân sự tại Bình Than để "bàn kế đánh phòng" và "chia quân giữ nơi hiểm yếu".[16] Tất cả các tướng lĩnh phạm tội, như Trần Khánh Dư, đều được tha tội để đến hội nghị bàn việc. Đại Việt sử ký toàn thư chép việc Trần Quốc Toản vì nhỏ tuổi không được dự Hội nghị Bình Than đã tức giận bóp nát quả cam.
Trần Quốc Tuấn đã viết Hịch tướng sĩ để nâng cao tinh thần của quân sĩ. Nhiều chiến sĩ Đại Việt đã xăm hai chữ Sát Thát (Chữ Hán: 殺韃. Sát nghĩa là "giết", còn Thát chỉ người Mông Cổ) vào tay để thể hiện quyết tâm chiến đấu của mình.[17]
Đến tháng 12 năm Giáp Thân (tháng 1 đầu tháng 2 năm 1285), Thái thượng hoàng Trần Thánh Tông đã mời những bậc tuổi cao có uy tín trong cả nước về điện Diên Hồng ở kinh đô Thăng Long để trình bày chủ trương của triều đình. Đại Việt sử ký toàn thư chép rằng, trong Hội nghị Diên Hồng, khi được vua hỏi có nên đánh lại quân Nguyên hay không, thì các phụ lão đã "vạn người cùng nói như từ một miệng": "Đánh!".[18]
Còn Nguyên sử đã chép lại việc quân Nguyên sau này khi vào Đại Việt đi qua các địa phương đã thấy các thông báo của triều đình Đại Việt cho dân chúng rằng "Tất cả các quận huyện trong nước, nếu có giặc ngoài đến, phải liều chết mà đánh, nếu sức không địch nổi thì cho phép lẩn tránh vào rừng núi, không được đầu hàng."[19]
Trần Quốc Tuấn được phong làm Quốc công tiết chế, thống lĩnh tất cả các lực lượng vũ trang của Đại Việt. Trần Quang Khải được phong chức Thượng tướng thái sư. Quân đội Đại Việt được điều động rất đông lên phòng ngự ở biên giới, nhất là ở khu vực Lạng Sơn ngày nay. Bản doanh của Trần Quốc Tuấn đóng ở ải Nội Bàng (khoảng thị trấn Chũ và xã Bình Nội của Bắc Giang ngày nay).
Trong Binh thư yếu lược, Trần Quốc Tuấn viết: "Người giỏi thắng không cần thắng nhiều lần, mà cần toàn thắng, đảm bảo thắng". Điều đó đồng nghĩa với việc làm cách nào để có được chiến thắng cuối cùng mới là điều quan trọng nhất, còn thắng bại trong các trận đánh chỉ là phụ. Cuộc kháng chiến chống Nguyên Mông dưới sự chỉ đạo của ông cũng tiến hành theo nguyên tắc trên. Với sức mạnh áp đảo, quân Nguyên muốn đánh nhanh, thắng nhanh. Trần Quốc Tuấn hiểu rằng, đối đầu trực diện là trúng với ý đồ của đối phương, trong khi những đội quân muốn đánh nhanh thắng nhanh thường có một nhược điểm chí tử: đó là công tác hậu cần không thể đảm bảo lâu dài.
Do vậy Trần Quốc Tuấn đã chọn chiến lược: chuyển từ trực tiếp đối đầu với quân Nguyên sang lui binh, thực hiện vườn không nhà trống để triệt nguồn cung ứng lương thảo của quân Nguyên. Cứ thế, quân Trần tránh đụng độ với địch trong nhiều tháng, chờ địch suy yếu do thiếu lương và suy sụp ý chí, lúc đó ông mới tập trung quân phản công để giành thắng lợi quyết định.
