不久，元將李恒也將兵自廣州來會，與張弘範一起合攻厓山之北。本來，元軍諸將建議居高臨下，發炮狂攻宋軍水寨。張弘範不同意，怕炮擊後宋軍舟散，浮海分逃，不能全殲。
李恒觀察形勢後，建議元軍合力，與宋軍水師正麵對攻。
二月初六早晨，張弘範分元軍為四軍，相距裏許。張弘範與李恒自當一麵，乘潮退之時，李恒一軍自北而南，順流乘舟直殺宋軍水寨。
張世傑自率淮兵，殊死抵拒。
戰至日中，潮水又漲，元軍南麵一軍又乘流而進。
張世傑雖然腹背受敵，死戰益力。
李恒雖勇，仍不能勝。
張弘範施計，命人以布障把其指揮大艦的四麵遮蔽嚴實，又令船上將士伏盾埋伏，然後大奏音樂。張世傑誤認為元軍休軍要聚宴，精神上稍稍有些懈怠。
宋軍將士剛剛喘了口氣，忽然見張弘範的指揮艦衝擊宋軍左側水寨。
宋軍齊發弩箭，全部射在了大船的布障上。
估計宋軍箭矢已盡，張弘範下令撤去布障。埋伏的元兵矢石俱發，壓製住宋軍氣勢後，紛紛跳上宋軍陣左最大的堡壘大艦，攻陷水寨一角。
元軍諸將乘勢，呼聲震天，紛紛衝入水寨，殺人斬帆，不可遏製。
張世傑見狀，知大勢已去，便抽調精兵入中軍保護皇帝。
見狀，宋軍諸軍大潰，翟國秀等數位宋將解甲向元軍投降。
時值薄暮，風雨昏霧四塞，咫尺不相辨。張世傑派軍士劃小船至小皇帝所在的大船，想接他向外逃走。陸秀夫恐為人所賣，又怕皇帝遭受俘辱，不肯讓皇帝下船。
接應之人無奈，隻得返回張世傑處複命。
張世傑無奈，率10餘艘戰船，保護楊太妃突圍而去。
喊殺陣陣，煙火四溢，陸秀夫見少帝所居舟船甚大，諸舟環結，逃走難比登天。於是，他先驅自己的妻兒跳海。然後，他入船艙，把小皇帝抱上船頭，叩頭再拜，泣言道：“國事至此，陛下當為國死。德祐皇帝（宋恭帝）辱已甚，陛下不可再辱！”
小孩子驚惶，根本不明白周遭發生了什麼事情。
哀號之餘，陸秀夫把小皇帝背在身上，毅然縱身蹈海，上演了南宋王朝最後悲壯的一幕。
至此，宋朝終於亡國。
7天之後，厓山一帶海上浮屍10餘萬人。元軍乘船在屍堆中覓取財物，發現一小孩屍體，衣黃色衣，身上有玉璽。
軍卒忙進呈玉璽，張弘範知是宋朝小皇帝屍體，派人往取，遍尋不獲。至此，他才敢上報忽必烈，稱宋朝末帝已溺死於海上。
南宋遺民林景熙有《題陸秀夫負帝蹈海圖》一詩，對陸秀夫大義殉國表示了無比崇仰之情：
紫宸黃閣共樓船，海氣昏昏日月偏。
平地已無行在所，丹心猶存中興年。
生藏魚腹不見水，死抱龍髯直上天。
板蕩純臣有如此，流芳千古更無前。
楊太妃逃亡期間得知趙昺死訊，拊膺大慟：“我忍死間關至此，隻為趙氏一塊肉耳。如今絕望矣！”言畢，縱身赴海自殺。
張世傑率殘餘宋軍，本想奔占城，但軍中多廣東軍卒，不願前往。無奈，張世傑不得不調轉船頭，收集潰兵，遊蕩於沿海。
不久，忽遇颶風，將士勸張世傑靠岸。這位豪傑一聲長歎，大叫“無以為也！”，於是，他登上舵樓，燃香祈天：“我為趙氏，仁至義盡。一君亡，複立一君，今又亡。我當時不死，隻望敵兵退後，別立趙氏後人以存社稷。今又遇此，豈非天意！”
颶風狂刮，巨浪滔天，舟船全部傾覆，張世傑及殘餘宋軍均溺水而死。
厓山之戰，被囚禁在元軍營中的文天祥耳聞目睹了整個過程，心如刀割。事後，他在詩中寫道：
羯來南海上，人死亂如麻。
腥浪拍心碎，飆風吹鬢華。