Sử sách Việt Nam và Trung Quốc nêu số quân Nguyên không thống nhất. Lần đầu, Nguyên sử chỉ nêu vài ngàn quân; sau này các nhà nghiên cứu cho rằng số quân Nguyên năm 1257 khoảng 3 vạn[1]. Nhà sử học Ba Tư là Said ud Zin cho biết quân Mông đến Vân Nam có 3 vạn nhưng trước khi đến Ngạc châu gặp Hốt Tất Liệt thì số quân chỉ còn lại 5000 người[2].
Lần thứ hai, Đại Việt Sử ký Toàn thư chép quân Nguyên có 50 vạn và khi rút về chỉ còn 5 vạn. Nguyên Sử chép rằng chỉ có 30 vạn nếu tính luôn cả dân phu là những người không tham gia chiến đấu. Con số 30 vạn được các nhà nghiên cứu Việt Nam cho rằng phù hợp. Tuy nhiên, về số trở về nước, chắc chắn nhiều hơn 5 vạn, vì từ tháng 6 âm lịch năm 1285, Thoát Hoan rút chạy về, tới tháng 8 đã được lệnh chuẩn bị sang lần nữa. Như vậy số quân còn lại cũng tương đối nhiều, gần với số cần thiết mang đi viễn chinh lần nữa[3]. Theo 1 số tác giả thì quân Đại Việt lần này có 30 vạn người.[4]
Lần thứ 3, Đại Việt Sử ký Toàn thư ghi số quân là 50 vạn, trong khi Khâm định Việt sử Thông giám Cương mục lại cho rằng như vậy quá nhiều, chỉ có khoảng hơn 9 vạn là số quân bổ sung. Các nhà nghiên cứu xác định rằng quân Nguyên lần này cũng có khoảng 30 vạn như lần thứ hai, còn quân Trần có tổng số khoảng 20 vạn[5].