Xét về vị trí chiến lược, Chiêm Thành nằm giữa vùng Đông Nam Á. Giữ được Chiêm Thành thì phía bắc có thể trước sau hai mặt giáp công nước Đại Việt, phía tây dễ dàng tiến chiếm Chân Lạp, phía đông thì với tới được Java và các hải đảo… An nguy của Đại Việt và Chiêm Thành thời bấy can hệ mật thiết với nhau. Đại Việt không có vị trí nằm giữa vùng như Chiêm Thành nhưng là cửa ngõ để tiến xuống phía nam của đế chế Nguyên Mông. Đường đến Đại Việt lại tiện cả thủy và bộ, gần hơn đường tiến quân đến Chiêm Thành. Nguyên triều vì vậy mà vẫn cân nhắc nên đánh nước nào trước. Yếu tố sức mạnh là điều mà Nguyên triều xét đến sau yếu tố vị trí. Mặc dù rất muốn tấn công Đại Việt để thông đường một mạch tiến xuống phía nam, vua tôi Hốt Tất Liệt vẫn nhận thấy thực lực của nước Chiêm Thành yếu hơn Đại Việt nhiều. Đó là lý do mà nước Nguyên quyết định vượt biển tấn công Chiêm Thành trước, theo đúng binh pháp “tránh chỗ mạnh, đánh chỗ yếu”.
Bấy giờ nước Chiêm Thành dưới sự cai trị của vua Indravarman V và thái tử Harijit. Chính sách của Chiêm Thành đối với nước Nguyên cũng giống với chính sách của Đại Việt, đó là chấp nhận triều cống nhưng không chấp nhận sang chầu. Quốc chủ không thể bỏ nước đi chầu vua nước khác, chính là nguyên tắc của những nước muốn giữ chủ quyền.
Năm 1280, Hốt Tất Liệt vừa hoàn thành việc thôn tính Nam Tống liền sai người mang thư đi chiêu dụ “các nước ngoài biển”. Nguyên triều phong cho vua Indravarman V làm “Chiêm Thành quận vương”, và yêu cầu phải đích thân sang chầu. Không được sự hồi đáp, Nguyên triều không ngần ngại sửa soạn ngay một đạo quân hùng hậu để tấn công Chiêm Thành.
Năm 1281, Hốt Tất Liệt thành lập Chiêm Thành hành trung thư tỉnh, lấy Toa Đô (Sagatou) làm Hữu thừa đồng thời cũng là nguyên soái. Lưu Thâm được phong làm Tả thừa, Binh bộ thị lang Diệt Hắc Mê Thất (Yigmis) giữ chức tham tri chính sự, cùng nhau chuẩn bị cho việc thôn tính Chiêm Thành. Các vùng phía nam nước Nguyên vừa chiếm được dân chúng phải chịu lao dịch, trưng thu lương thực, tiền của phục vụ cho việc viễn chinh rất khổ sở. Đảo Hải Nam trở thành nơi tích trữ lương thực. Thổ dân người Lê ở Hải Nam bị bắt phu dịch để chế tạo khí giới, đóng chiến thuyền. Hốt Tất Liệt còn sai sứ sang Đại Việt yêu cầu cung cấp lương thực, mượn đường đánh Chiêm Thành. Tất nhiên, triều đình Đại Việt đã từ chối.
Chiêm Thành cũng biết được dã tâm của Nguyên triều nên đã tích cực chuẩn bị cho chiến tranh. Hoàng thái tử Harijit điều động quân dân xây dựng thành gỗ chu vi 20 dặm để phòng thủ, trong thành có hơn 1 vạn tinh binh đóng giữ, trên thành đặt 100 khẩu “hồi hồi pháo” (loại máy bắn đá trọng lực Trebuchet), đó là loại vũ khí tối tân thời bấy giờ. Hành cung của vua Indravarman V cũng được xây dựng cách thành gỗ 10 dặm, đặt trọng binh làm hậu viện cho hoàng thái tử. Tổng binh lực mà triều đình nước Chiêm Thành điều động được khoảng 2-3 vạn quân. Ngoài việc chuẩn bị phòng thủ mặt biển, người Chiêm còn chuẩn bị những kho tàng ở các vùng cao nguyên phòng khi thất thế sẽ lui về giữ. Năm 1282, các sứ đoàn của Nguyên Mông đi dụ hàng những nước phương nam khi ngang qua lãnh thổ Chiêm Thành đều bị bắt giữ.
Cuối năm 1282, quân Nguyên xuất quân từ Quảng Châu tiến thẳng đến Chiêm Thành. Đạo quân được Nguyên triều điều động đa phần là binh lính vùng phía nam, chủ yếu là quân các tỉnh Phúc Kiến, Hồ Quảng, Hoài Triết. Tổng lực lượng quân Nguyên có khoảng 10 vạn quân, 1.000 chiến thuyền. Trong đó, có 1 vạn quân là thủy quân chuyên nghiệp, số còn lại là lục quân.
Đầu tháng 1.1283, Toa Đô tiến đến vùng vịnh Quy Nhơn của nước Chiêm Thành, đóng quân phía đông đầm Thị Nại. Toa Đô sai sứ dụ hàng người Chiêm. Trong khoảng hai tháng trời, sứ giả của Toa Đô tám lần ra vào hành cung của vua Indravarman V kêu gọi quân Chiêm Thành hạ vũ khí đều không mang lại kết quả. Vua Chiêm còn gửi thư khiêu chiến đến Toa Đô.
Dụ hàng không được, Toa Đô bèn bố trí lực lượng để tấn công vào thành gỗ của quân Chiêm Thành. Cuộc tấn công chưa diễn ra thì biển động, khiến quá nửa thuyền bè của quân Nguyên bị hư hại khi đang neo đậu. Dù vậy quân số dưới trướng Toa Đô không bị thiệt hại đáng kể. Quân Nguyên chia làm 3 mũi, nửa đêm vào trung tuần tháng 2.1283 cùng giáp công dữ dội vào thành gỗ của quân Chiêm Thành.
Trần Trọng Đạt chỉ huy thủy quân Nguyên tấn công vào cửa bắc thành gỗ. Trương Bàn cầm quân tấn công vào phía đông thành. Toa Đô đích thân đốc xuất quân chủ lực, lại chia làm 3 cánh tấn công vào phía nam thành.
Do quân Nguyên tấn công vào ban đêm nên hồi hồi pháo của quân Chiêm Thành không phát huy được hết tác dụng. Tuy vậy đạn đá từ pháo cũng gây thiệt hại đáng kể cho quân Nguyên. Quân Chiêm Thành mở cửa nam, kéo tượng binh và hơn 1 vạn quân xuất thành giao chiến với quân Toa Đô. Cuộc chiến diễn ra ác liệt khoảng hơn nửa ngày thì quân Chiêm Thành dần núng thế, cửa nam cơ hồ không giữ nổi. Thấy tình thế bất lợi, thái tử Harijit hạ lệnh rút quân về hướng tây bắc. Quân của Toa Đô tràn vào thành, phối hợp với các cánh quân khác làm chủ hoàn toàn thành gỗ. Những dân công và binh lính Chiêm Thành ở lại chặn hậu, không rút kịp đều bị tàn sát dã man.
Quân Chiêm Thành do thái tử Harijit rút về hội quân với vua Indravarman V ở hành cung, rồi toàn quân Chiêm Thành bỏ hành cung rút về kinh đô Chà Bàn (Vjiaya) để tránh thế mạnh ban đầu của địch.
Toa Đô sau khi chiếm được thành gỗ, cho chỉnh đốn lại đội ngũ rồi tiến thẳng đến thành Chà Bàn. Chiêm Thành một mặt phái sứ giả đến gặp Toa Đô để “xin hàng” hòng kéo dài thời gian, mặc khác ngầm sơ tán lực lượng và vật chất về vùng đồi núi phía tây bắc. Quân Nguyên tiến vào kinh đô Chà Bàn bấy giờ đã bỏ trống. Toa Đô không dám đóng quân trong thành mà ra bên ngoài thành hạ trại như tập quán của quân Nguyên Mông. Toa Đô vì muốn vừa bảo toàn binh lực vừa chiếm được Chiêm Thành nên trúng kế trá hàng của người Chiêm Thành. Vua Chiêm sai sứ giả Bát Tư Ngột Ban Giả đến nói với Toa Đô: “Phụng vương mệnh đến hàng, còn quốc chủ và thái tử sẽ đến sau”. Toa Đô tưởng thật, cho người đem thư gọi vua Chiêm đến chầu.
Ngày 21.2.1283, cậu của vua Chiêm là Bảo Thoát Thốc Hoa (Bhadradeva) đảm nhận vai trò sứ giả để bước vào cuộc đấu trí cam go với Toa Đô, hòng kéo dài thời gian càng lâu càng tốt. Trong lúc ấy, thái tử Harijit tranh thủ xây một thành gỗ mới ở núi Nha Hầu để cố thủ, đồng thời gửi thư cầu viện đến Đại Việt, Chân Lạp.
Ban đầu, Bảo Thoát Thốc Hoa đem nhiều lễ vật đến nói với Toa Đô: “Chúa nước tôi muốn đến nhưng đang ốm chưa đi được nên trước hết sai đem ngọn giáo của mình lại để tỏ lòng thành, còn con trưởng là Bổ Đích (Harijit) hẹn ba ngày nữa xin đến ra mắt”.
Toa Đô lần lữa không muốn nhận lễ vật mà đòi vua Chiêm phải đến chầu ngay. Bảo Thoát Thốc Hoa cố nài, bảo rằng sẽ về bẩm báo. Toa Đô tạm nhận lễ vật và chờ đợi. Đến ngày 27.2.1283, Bảo Thoát Thốc Hoa dẫn hai người đến trại Toa Đô làm con tin, bảo rằng đó là con của vua Indravarman V. Bảo Thoát Thốc Hoa lại nói: “Trước kia có 10 vạn quân nên mới dám gây chiến, nay tất cả đều thua tan hết. Nghe những tên lính bại trận trở về nói rằng Bổ Đích (Harijit) bị thương đã chết. Quốc chủ bị tên bắn trúng vào má nay đã đỡ nhưng còn hổ thẹn và sợ hãi chưa dám đến yết kiến. Vì thế nên sai hai con đến trước để bàn việc và cửa khuyết bệ kiến”.
Toa Đô không tin những con tin là con của vua Chiêm, trả tất cả về hết. Y lại sai các sứ giả là Lâm Tử Toàn, Lật Toàn, Lý Đức Kiên đi theo bọn Bảo Thoát Thốc Hoa, mượn tiếng là thăm bệnh vua Chiêm hòng do thám quân tình. Vị sứ giả nước Chiêm Thành phải tiếp tục tìm kế sách mới để đối phó với địch.