此时日军人数虽然大大超过元军，但是如何指挥这些平时互不统属的武士们协同作战，成了摆在镰仓幕府面前的一道难题。而元军没有给幕府解决难题的时间。

忻都首先派人射箭书入京都，谕令日本军民投降，可照大阪例，免于屠城，并保全日本朝廷。北条时宗拒绝了，同样令人以箭书射入元营，上书“降者免死”，随后便率大军出城，直扑元营。

北条时宗所率日本武士部队约五万人，骑兵约有五千，其余皆为步卒，此次进攻一改以前的“一骑讨”作战方式，而是象元军一样的发动了集团冲锋。元军仍是先施放火炮轰击日军，继以弩箭，然后以骑兵发动冲击。日军在元军猛烈的炮火轰击下死伤累累，冲近的日本武士也大都给弩箭射成了刺猬，日本武士虽然有精良的刀具，但除了一些将领有好的铠甲防护外，大多数下级武士只有简陋的铠甲，因而死伤惨重，五万大军在元军的攻击下很快崩溃，北条时宗在战斗中也被元军炮火击伤，“铁片洞其铠甲，肩臂皆穿”，鲜血将他的铠甲染红，元军骑兵望见其衣甲鲜亮，知其为大将，蜂拥而来，欲擒获之，千钧一发之际，一名叫竹崎季长的武士策马赶到，将北条时宗拖出了交战区域，方才免于其被元军擒捉的下场。

北条时宗率残兵退入京都，据城防守。在击溃日军之后，元军并没有急于攻城，而是追击溃散的日本武士，将其尽数斩杀，一时间京都城下尸如山积，登城了望敌情的北条时宗见状，惊怒交集，口喷鲜血，晕厥过去，后为天皇派来的御医救醒。

彻底消灭城外日军之后，元军开始攻城，和以往不同的是，元军此次没有强行架设云梯爬城，而是集中火炮轰击城池。城墙上的日本人目瞪口呆的发现，元军的阵列当中架起了一门巨大的火炮。

日本人不知道的是，这门大炮并非蒙古人铸造，而是宋朝的工匠铸造的，它有着一个特别的名字：“襄阳神炮”。

当年在襄樊之战中曾给蒙古人以沉重打击的宋人神器，现在出现在了元军的阵列里。这门大炮连同其弹药，是蒙古人花了高价，从宋人那里偷偷买来的，原本忽必烈打算好好研究它并进行复制，在得知日本前线军情之后，忽必烈派人用船将它运给了忻都，“助其成功。”

在占领九州之后，这门大炮随同运送粮草军械的船队来到了日本，但由于其巨大而笨重，难以移动，忻都一开始并没有打算使用它，从占领九州到进攻四国岛，它一直都被放在船上，直到京都之战时，看到京都高大坚厚的城墙，忻都才想起了它，命人将其从船上卸下，运往京都前线。