崖山也接到了情報，張世傑與謀士們商量對策。謀士建議，絕對不能讓出海的要塞港口被元軍佔領。張世傑暗忖：久處海中，軍心不免漸漸離散，如果這次不能一決勝負，即使是突圍出港，又能到什麼地方去呢？於是他下定決心，要與元軍死拼。他說：“這幾年我們在海上漂泊，要到哪一天才是個頭呢？如今張弘範既然要來，我們就打一場硬仗，定出個勝負吧！”於是，他把岸上的行宮、一千多間兵房全部放火燒光，軍隊全數移到海上，並在沿海各口岸採辦了大量糧食。
他用鐵索把舟船連鎖在一起，又在四周築起樓棚，就像是一座人工造成的小浮島。最後，他請皇帝跟朝廷搬到中間的一隻御舟上，皇帝帶着阿旺也上了船，阿旺最近寢食難安，瘦了好多，也掉了不少毛。他緊緊地把頭埋在皇帝的腳邊，等待命運的審判。
不久，崖海大戰開始了。張世傑的艦隊有船一千多艘，而且多是大型海船，官民將士共有二十餘萬人，許多將領身經百戰，士兵們背水一戰，士氣極高。張弘範一看對方是連環戰船，便下令士兵們以舟載乾草，再澆上膏油，順風縱火攻過去。而張世傑早已作了準備，他用厚厚的泥漿塗在船上，不容易着火，並在船上安排好撞竿，當元軍的火種船一來，便用撞竿撞擊火船。這種撞竿非常粗大，即使不能撞翻元人的船，至少也能頂住，不使它接近宋軍的戰艦。最後，元軍的火種船自己燃燒起來，沉下海去。
火攻失敗以後，張弘範便暫停了攻勢。聽說投降的部隊裏有一個張世傑的外甥，於是他就派此人去說降。這個外甥到舅父那兒求了三次，張世傑不但不降，反而開始跟外甥講起歷代忠臣義士的故事。張弘範見此路不通，認爲是說降者人微言輕，不夠分量。
又想叫文天祥寫信勸張世傑降元，於是就派了一個姓李的元帥去見文天祥。得知李元帥的來意後，文天祥氣憤之極，反問道：“我不能保衛自己的父母，卻教唆別人也背叛父母，你說這可能嗎？”李元帥被反問得啞口無言，不知說什麼好，可又不好回去向張弘範交代，就軟磨硬泡地叫文天祥寫點什麼，以便自己帶回去交差。“好吧！我寫個字條，張世傑看了，能不能讓他投降我不管。”
來人急忙回到前線，將文天祥的字條呈送給張弘範，張弘範打開字條，原來上面寫的是文天祥經過零丁洋時所作的一首詩：
辛苦遭逢起一經，
干戈寥落四周星。
山河破碎風飄絮，
身世浮沉雨打萍。
惶恐灘頭說惶恐，
零丁洋裏嘆零丁。
人生自古誰無死，
留取丹心照汗青。
張弘範讀到“人生自古誰無死，留取丹心照汗青”時非常激動，他連連讚道：“好人，好詩！”他把文天祥的詩擱下來，繼續跟張世傑對抗。
崖山的兩頭各被張弘範、李恆圍住，宋軍被困在海上。張弘範派人大聲喊話：“你們的陳丞相已經逃走，文丞相又被俘獲，你們還指望什麼呢？趕快投降吧！”張世傑不肯投降，雙方相持了半個多月。漸漸地，水上行宮出現了非常嚴重的問題，因爲他們被堵死在海峽之中，水源斷絕，宋軍沒有淡水，吃了十多天干糧，渴得不得了，只好喝海水。喝了海水後士兵們嘔吐不止，疲乏無力，戰鬥力銳減。
見南面的張弘範沒有什麼動靜，張世傑就全力應付北邊的李恆水軍。殺到中午的時候，北邊算是擋住了。此時正值漲潮時候，突然船中傳出樂聲，張世傑以爲他們舉行宴會，誰知道張弘範的奏樂就是進軍號。南面的元軍一聽樂音，立刻撲向張世傑的大營。船艦衝過來，元兵跳上宋軍的船隻，展開肉搏戰。宋軍南北受敵，士兵又身心疲憊，無力戰鬥，全線潰敗。宋軍將領翟國秀、凌震等解甲降元，張世傑、蘇劉義從黎明堅持到黃昏，自知無望，斬斷船索，率十六隻戰船擁着楊太妃突圍出去。
趙昺的御船由於過於龐大，被外圍的船隻阻隔在中間，無法突圍。不能眼看着靖康之難重演，也不能使皇帝落得和先皇一樣的命運，陸秀夫決定和皇帝一起殉難。他首先叫妻子兒女跳海自盡，又對小皇帝說：“國家到了這個地步，該是陛下殉國的時候了。”小皇帝撲進他的懷裏大哭，阿旺也圍着他們發出嗚嗚嗚的哀鳴，他們君臣相擁，陸秀夫亦痛哭失聲，接着他抱起小皇帝，轉身跳入狂風巨浪之中。阿旺一個孤零零地漂着，最後遇到了元軍上船搜索，被元軍抓走了。
那一天，跟着投海自殺的宮眷、文武官員以及士兵非常之多。夜裏，張世傑率十六隻義船奔逃到崖山，他們去見楊太后，要保護她往占城避難。楊太后流着淚說：“我之所以漂泊萬里，流落至此，完全爲了趙氏的一點骨血，現在皇帝已死，我也沒有希望了。”
張世傑等人勸說不住，便退了出去，他們一走，楊太后立刻投海自殺了。張世傑將楊太妃葬於海濱後，已經完全喪失了信心和希望。當他移師到平漳港口（今廣東陽江縣之南海中）一帶時，遇到了強烈的颶風。將士勸他棄舟上陸，以避風險，張世傑嘆息道：“我爲宋朝仁至義盡了，一君身亡，復立一君，現在國已無君。我不在崖山殉難，只爲元軍退後，再立國君，以圖恢復宋朝社稷。如今既然遇上颶風，恐怕是天意吧！”
部下們紛紛棄船而去，張世傑動也不動，結果風暴越來越大，最後船被風浪打沉。船翻之後，張世傑溺死在海中，後來有人打撈他的屍體，葬在附近的螺島上，並將螺島改名爲海陵島，就是紀念張世傑以海爲其陵墓的意思。數天之後，漂浮在海上的屍體多達十幾萬，慘不忍睹。陸秀夫的遺體浮出海面時，被當地人收葬。
元軍在清理戰場的時候，發現一具身穿黃衣的兒童屍體，身上帶有金璽，上書“詔書之寶”四字，元軍將金璽送交張弘範，經確認正是趙昺隨身攜帶的玉璽。張弘範大喜，立即派人去尋找趙昺屍體，但已經被海浪捲走，不知所終。張弘範自以爲對元朝立下不世之功，十分得意，派人在崖山北面石壁上刻了“鎮國大將軍張弘範滅宋於此”十二個字，以便“流芳千古”。
可是事與願違，他滅宋的罪行受到中原和南方人民的唾罵。明朝時候，有人把這塊石刻削去，改鐫“宋丞相陸秀夫死於此”九個字，紀念陸秀夫這位殉節的忠臣。