此時日軍人數雖然大大超過元軍，但是如何指揮這些平時互不統屬的武士們協同作戰，成了擺在鐮倉幕府麵前的一道難題。而元軍沒有給幕府解決難題的時間。
忻都首先派人射箭書入京都，諭令日本軍民投降，可照大阪例，免於屠城，並保全日本朝廷。北條時宗拒絕了，同樣令人以箭書射入元營，上書“降者免死”，隨後便率大軍出城，直撲元營。
北條時宗所率日本武士部隊約五萬人，騎兵約有五千，其餘皆為步卒，此次進攻一改以前的“一騎討”作戰方式，而是象元軍一樣的發動了集團衝鋒。元軍仍是先施放火炮轟擊日軍，繼以弩箭，然後以騎兵發動衝擊。日軍在元軍猛烈的炮火轟擊下死傷累累，衝近的日本武士也大都給弩箭射成了刺蝟，日本武士雖然有精良的刀具，但除了一些將領有好的鎧甲防護外，大多數下級武士隻有簡陋的鎧甲，因而死傷慘重，五萬大軍在元軍的攻擊下很快崩潰，北條時宗在戰鬥中也被元軍炮火擊傷，“鐵片洞其鎧甲，肩臂皆穿”，鮮血將他的鎧甲染紅，元軍騎兵望見其衣甲鮮亮，知其為大將，蜂擁而來，欲擒獲之，千鈞一發之際，一名叫竹崎季長的武士策馬趕到，將北條時宗拖出了交戰區域，方才免於其被元軍擒捉的下場。
北條時宗率殘兵退入京都，據城防守。在擊潰日軍之後，元軍並沒有急於攻城，而是追擊潰散的日本武士，將其盡數斬殺，一時間京都城下屍如山積，登城了望敵情的北條時宗見狀，驚怒交集，口噴鮮血，暈厥過去，後為皇派來的禦醫救醒。
徹底消滅城外日軍之後，元軍開始攻城，和以往不同的是，元軍此次沒有強行架設雲梯爬城，而是集中火炮轟擊城池。城牆上的日本人目瞪口呆的發現，元軍的陣列當中架起了一門巨大的火炮。
日本人不知道的是，這門大炮並非蒙古人鑄造，而是宋朝的工匠鑄造的，它有著一個特別的名字：“襄陽神炮”。
當年在襄樊之戰中曾給蒙古人以沉重打擊的宋人神器，現在出現在了元軍的陣列裏。這門大炮連同其彈藥，是蒙古人花了高價，從宋人那裏偷偷買來的，原本忽必烈打算好好研究它並進行複製，在得知日本前線軍情之後，忽必烈派人用船將它運給了忻都，“助其成功。”
在占領九州之後，這門大炮隨同運送糧草軍械的船隊來到了日本，但由於其巨大而笨重，難以移動，忻都一開始並沒有打算使用它，從占領九州到進攻四國島，它一直都被放在船上，直到京都之戰時，看到京都高大堅厚的城牆，忻都才想起了它，命人將其從船上卸下，運往京都前線。