- Quân đội của Ngột Lương Hợp Thai gồm kỵ binh Mông Cổ và quân sĩ người Di. Tổng cộng là cỡ 2,5 vạn, chưa kể quân Đại Lý được Mông Cổ trưng dụng để cùng đánh Đại Việt. Tiên phong là tướng Aju và Cacakdu (Triệu Triệt Đô hay Triệt Triệt Đô). Ngoài ra, trong quân đội Mông Cổ còn có phò mã của Mông Cổ là Quaidu (Hoài Đô). Đi tiên phong là Đoàn Hưng Trí – vua Đại Lý đã đầu hàng[4]. Theo sách Nghệ thuật đánh giặc giữ nước của dân tộc Việt Nam thì quân Mông Cổ có khoảng 2 đến 3 vạn, cộng với 2 vạn quân Đại Lý được Mông Cổ trưng dụng, tổng số là khoảng 4 đến 5 vạn.
- Quân Đại Việt, gồm quân cấm vệ và quân các lộ khoảng 10 vạn, có đủ các binh chủng bộ binh, kỵ binh, tượng binh và thủy binh đã được thao luyện chu đáo.
Đạo quân của Ngột Lương Hợp Thai không thật đông nếu nhìn về số lượng tuyệt đối, họ chỉ bằng 1/2 quân số nhà Trần. Tuy vậy, quân Mông Cổ, như đã được chứng minh qua quá trình tác chiến của mình, hầu như luôn thua sút về quân số so với đối phương của họ, ít nhất là theo tỷ lệ 1:2, tức là nhiều ra thì số quân nhân của họ cũng chỉ bằng nửa so với đối phương. Tuy ít hơn về số lượng song quân Mông Cổ có lợi thế là rất giỏi về kỵ binh, có tính cơ động hơn hẳn đối phương, cho phép họ nhanh chóng tập trung lực lượng đánh vào chỗ mỏng yếu của đối phương, hoặc sẽ rút lui nhanh nếu thấy bất lợi. Kỵ binh Mông Cổ cũng rất giỏi bắn cung trên lưng ngựa, họ có thể phi ngựa rồi bắn đối phương từ xa mà không sợ bị đánh trả. Vì vậy, có những trận đánh quân Mông Cổ chỉ đông bằng 1/4 đối phương mà vẫn chiến thắng như Trận sông Kalka, hoặc như Chiến tranh Mông-Kim, Mông Cổ chỉ có khoảng 12 vạn quân mà đã đánh bại quân đội gần 1 triệu người của nhà Kim. Vì vậy, các tướng Mông Cổ cho rằng với nước nhỏ như Đại Việt thì chỉ cần 5 vạn quân cũng là đủ để chinh phạt rồi.
Một đặc điểm nữa của đạo quân này là trong thành phần lãnh đạo, nó quy tụ tới 50 chư vương của triều đình Mông Cổ và phò mã Mông Cổ tên là Quaidu. Đây là những sĩ quan có liên hệ huyết thống hoặc hôn nhân với gia đình thống trị của vương triều Mông Cổ. Nhà sử học cổ trung đại người Ba Tư là Rasid ud-Din chép: