安南本為唐朝安南都護府的管轄地，五代後晉時獨立出去，建立了瞿越、大越等國號。北宋開寶八年（975年）的時候，被封為交趾郡王，南宋隆興二年（1164年）的時候，又改封為安南國王，此後該國便獨立，地處現今的越南北部。忽必烈即位前後，安南國的統治者為陳氏家族。
元憲宗蒙哥三年（1253年），忽必烈就命令手下的大將兀良合台率領蒙軍平定雲南，雲南平定以後，忽必烈親自率軍北返，兀良合台則留下，繼續征服其餘並未歸降的小國。憲宗七年（1257年），兀良合台率領蒙軍準備進攻安南國，出兵前他先派出了兩位使者出使安南商議歸降的事情。安南不但不從，還用酷刑扣押了蒙古使者。兀良合台不見使者回報，遂驅動大軍，攻破王都，安南國王陳日無逃竄海島。兀良合台從獄中找到二位使者，解其縛，一人已死。兀良合台大怒，立誓要抓住陳日無，滅亡安南。但由於天氣炎熱，蒙軍難以適應安南的氣候，遂殘破王都而返。憲宗八年（1258年），陳日無將王位傳於長子陳光昺，陳光昺攝於蒙古大軍威力，遣使向兀良合台貢獻方物，以求緩和關係。中統元年（1260年），忽必烈即位以後，派遣孟甲和李文俊等出使安南，令其稱臣人貢。忽必烈在國書中寫道：
“祖宗以武功創業，文化未修。朕纘承丕緒，鼎新革故，務一萬方。適大理國守臣安撫聶隻陌丁馳馹表聞，爾邦有向風慕義之誠。念卿昔在先朝已嚐臣服，遠貢方物，故頒詔旨，諭爾國官僚士庶：凡衣冠典禮風俗一依本國舊製。已戒邊將不得擅興兵甲，侵爾疆場，亂爾人民。卿國官僚士庶，各宜安治如故”。
孟甲等人到達安南，說明世祖忽必烈之意，陳光咼表示願意稱臣納貢，派遣使者隨孟甲等人來朝，請求三年一貢，忽必烈當即允準，遂冊封陳光昺為安南國王。
中統三年（1262年），忽必烈命訥剌丁為安南國達魯花赤，負責監控安南並往來於元朝和安南之間。至元四年（1267年），忽必烈又下詔安南，“諭以六事：一、君長親朝；二、子弟入質；三、編民數；四、出軍役；五、輸納稅賦；六、仍置達魯花赤統治之。”又詔封皇子忽哥赤為雲南王，往鎮大理、鄯闡、安南諸國，企圖進一步控製安南。
陳光昺不願意接受這些苛刻條件，“每受天子（指元朝皇帝）詔令，但拱立不拜，與使者相見或燕（宴）席，位加於使者之上”。又上書請求罷去元朝在安南國設置的達魯花赤，接著又請免赴“中原拜獻”等六事。忽必烈雖然不太高興，但未馬上用兵，僅僅派遣使者反複磋商而已。
至元十四年（1277年），陳光昺死亡，其子陳日炬沒有請準元朝就自立為王。次年，忽必烈派遣禮部尚書柴椿等人由江陵經邕州直抵安南，譴責陳日炬不修六事及不請命而自立之罪，並要陳日炬入朝受命。陳日炬稱，自己“生長深宮，不習乘騎，不諳風土，恐死於道路”，托故不朝，隻遣使臣隨同柴椿等赴元報命。至元十六（1279年）。樞密院臣上奏說：“日炬不朝，但遣使臣報命，飾辭托故，延引歲時，巧佞雖多，終違詔旨，可進兵境上，遣官問罪”，請求出兵迫使陳日炬來朝。這時，忽必烈比較沉著冷靜，未允其請。複遣柴椿等人出使，再諭陳日炬來朝。陳日烜仍然推托有病不來朝覲，僅遣其叔陳遺愛人元覲見忽必烈。忽必烈十分生氣，於至元十八年（1281年），設立安南宣慰司，以卜顏帖木兒為參知政事、行宣慰使都元帥以控製安南。接著，忽必烈又，“詔以光既歿，其子日炬不請命而自立，遣使往召，又以疾為辭，止令其叔遺愛人覲，故立遺愛代為安南國王”。忽必烈要廢棄陳日炬，另立陳遺愛，兩國關係開始緊張起來。
至元二十年（1283年），忽必烈準備遠征占城（今越南中南部），遣使安南征兵征糧。陳日炬上表，謂安南自從其父“歸順天朝，三十年於茲，幹戈示不複用，軍卒毀為民丁”，已無兵員可供驅使；至於糧穀，也因國小民貧，“五穀所產不多”，“加以水旱，朝飽暮饑，食不暇給”，隻能於欽洲界上永安州之地提供少量供應。
至元二十一年（1284年），忽必烈封皇子脫歡為鎮南王，令其領兵往攻占城。脫歡與大將李恒率軍出發，請求假道安南，並向安南征糧餉以助軍食。陳日炬以其從兄興道王陳峻領兵迎於境上，婉言拒絕元軍假道。脫歡大怒，兵分六路大舉進攻安南，於萬劫江大敗陳峻的部隊，乘間綁縛木筏渡過富良江。
至元二十二年（1285年）初，陳日炬聽說陳峻兵敗，親自率軍十萬來援，沿江布防兵船，樹立木柵，見元軍至岸，即發炮大呼求戰。然安南軍隊多年不諳戰事，很快又敗下陣來，陳日炬慌忙率軍退走，元軍乘勝攻陷安南國都大羅城。陳日炬退守天長，再退長安。這時，元朝大將唆都和唐兀禋率領征伐占城的軍隊北返，遂與脫歡的軍隊合為一處，軍勢大盛。於是，脫歡令李恒、烏馬兒和寬徹、忙古禋分別率領水、陸大軍，分兩路追擊陳日炬。陳日炬不敵元軍，屢次失敗，最後退至安邦海口，丟棄舟楫甲仗，藏匿於山穀間，又遁入清化府。元軍雖然屢次獲勝，但長期征戰，師老兵疲，又因暑雨疾病，戰鬥力減弱，再加上地形生疏，蒙古兵馬無法施展騎兵長技，在安南軍隊不斷集結的形勢下，開始逐步失利。脫歡見形勢不妙，隻好放棄大羅城北撤。安南軍隊見元軍撤退，乘機追襲。當元軍撤至冊江搭浮橋準備渡江之際，林間伏兵四起，箭發如雨，元軍被這突如其來的襲擊弄得暈頭轉向，不知往哪兒躲避才好，死傷無數，李恒也中了毒箭身亡，脫歡在幾位士兵的保護下，狼狽逃回恩明州。當時，唆都大軍與脫歡大軍的營地相去二百餘裏，不知道脫歡北撤的消息，後來聽說脫歡兵敗，也率軍北撤，於北撤途中在乾滿江被殲。忽必烈第一次征伐安南，以大敗而宣告結束。
忽必烈聽到征南大軍失敗的消息，惱羞成怒，下詔取消原定的第三次征伐日本的計劃，專力討伐安南。至元二十三年（1286年），忽必烈詔諭安南官吏百姓，曆數陳日炬拒絕來朝、戕害叔父陳遺愛及不納達魯花赤不顏鐵木兒等罪行，以陳益稷來投，特封為安南國王，賜給符印。陳日炬毫不理會，繼續與元朝為敵。
至元二十四年（1287年），忽必烈詔發江淮、江西、湖廣三省蒙古漢軍七萬人，船五百艘，雲南兵六千人，黎族兵一萬五千人，第二次大規模征伐安南。征南大軍以皇子脫歡為總帥，兵分三路以進，脫歡與奧魯赤率領東路軍進攻女兒關等地，程鵬飛率領西路軍進攻永平等地，烏馬兒、樊楫由海路率舟師配合進攻。又以海道運糧萬戶張文虎等人運糧十七萬石以供軍食。元軍氣勢洶洶殺向安南，初戰連連告捷。安南軍見元軍來勢凶猛，有計劃退卻，誘敵深入。元軍順利渡過富良江，進逼安南京師大羅城，陳日炬於至元二十五年（1288年）再次逃走入海。同時，安南人民有計劃堅壁清野，藏糧逃遁，以困元師。這時，張文虎所率的運糧船在綠水洋受到安南軍阻擊，所運糧米全部被沉於海，隻好退還瓊州。元軍長驅深入，糧餉得不到接濟，再加上連日行軍，疲勞過甚，天氣轉熱，疾病發生，元軍陷入進退兩難的境地。脫歡見處境險惡，士氣低落，難於進兵，於是下令全師北撤。這時，安南軍已作好截擊元軍北歸的準備。當樊楫等由水道先行退到白藤江時遭到安南軍隊襲擊，全軍覆沒。安南又在女兒關、丘急嶺一線集結重兵三十萬，連亙百餘裏，切斷元軍退路。脫歡率軍且戰且退，死傷慘重，脫歡本人也被毒箭傷了腳，勉強從單己縣趨盂州，間道撤至思明州，曆盡艱辛，返回雲南。忽必烈第二次征伐安南又以失敗而告終。
安南反擊元朝雖然獲勝，但畢竟是一個小國，懼怕元軍，為了緩和和元朝的關係，戰後，陳日炬即遣使人元，歸還俘虜，並進獻金人自代以贖罪。
忽必烈兩次征伐安南都以失敗告終，這讓幾乎沒有戰敗過的忽必烈非常惱怒，責令領兵征戰的皇子脫歡改鎮揚州，沒有宣召，終身都不能入朝。