二十日晨，元军展开登陆战，一部元军从博多湾西部百道源滨海一带登陆，昨晚已在此布阵的第一线指挥藤原景资所率领的500骑兵，并没有趁元军登陆半途截击，而是在元军登陆整顿好队型后，方才按日本当时会战的惯例，由主攻部队放“鸣镝”表示进攻开始，这种战术不过是中国春秋时期宋襄公的翻版罢了。日军由一名武士单骑溺战，冲在前边，大队骑兵随后冲杀。当日本武士骑兵部队逼近时，元军鼓声大作，杀声震天，硬弓短矢，大炮轰鸣，日本武士对元军的战术，完全没有思想准备，心惊胆战，战马惊恐不前两军刚一接触，日本武士军队便死伤严重，百道源战场日军“伏尸如麻”，元军很快推进至鹿原。
另一部元军攻入百道源西部的赤坂，肥后武士菊池二郎武房率自己所部武士130骑与元军展开战斗。大宰府少贰藤原经资所率领的武士部队，按一族一门的战斗组织形式，轮番与占领赤坂的元军进行殊死战斗，终于迫使这部分元军向鹿原方向后撤，但元军的火炮在战斗中发挥了重要作用，给了日军以极大的杀伤，“击鼓之后，兵刀相接，元军阵内火光闪动，发射出球形铁弹，其大如斗，声震如霹雳，光闪似闪电，一次可发射十余枚弹丸，有落地即炸者，有飞奔冲撞者，日本武士被杀害者多人，城上仓库被一弹击中，燃起大火，本应扑灭，但无暇顾及。”
鹿原及鸟饲一带的元军，继续登陆，扩大占领地面。日本北九州各地武士如怡土松浦党、原田一族、日田、栗尾、山田氏等所率各队武士，先后赶到战场，一队一队轮番进攻元军。尽管武士军队人数不少，但就每一队而言，都教元军为少，因而死伤惨重。
这时，另一部分元军从博多湾东部箱崎方向登陆，占领岸边松林，从背后夹击与百道源元军作战的日本武士。该地守军大友赖泰的武士队伍经不起元军的夹击，开始向东南方撤退。由于大友赖泰部队的撤退，与百道源元军作战的日军腹背受敌，被迫向大宰府水城方向撤退。
二十日，元军与日军激战了一整天，近傍晚时候，博多湾箱崎等地先后落入元军之手，日军被迫全军撤退，但元军紧紧咬住不放，随着撤退的日军节节进逼。元军左副帅、作战指挥刘复亨为了更好地指挥作战，从高坡走下骑马前进。这个情况被日军前线指挥藤原景资发觉，他立即引马搭箭，将其射落马下。元军统帅受伤，使进攻的势头略受挫折，加之天色昏暗，元军遂停止进攻。这时，日军方摆脱元军的追击，迅速退往大宰府水城。日军撤退后，没有来得及逃走的老幼妇女，被俘近2000余人。随着夜幕降临，战斗基本停止。</nen>
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