宰府西守护所少贰兼任“三前二岛”守护藤原经资得到元军进攻对马的战报后，一边上报幕府，一边部署防御。而战报在十月十七日方送到镰仓幕府，十八日至京都。到十月二十二日，方知对马岛为元军所占领，而这时，元日第一次战斗已经结束了。从这一情况来看，日本朝廷和幕府对元军侵日战争，没有任何具体的部署和指挥，战斗主要在大宰府少贰藤原经资的指挥下进行的。
元军并没有在肥前登陆向纵深发展，而是把主力转移向博多湾。十月十九日，元军舰队进攻博多湾，杀散海滨守军占领今津一带。由于今津一带地形不利于大部队展开作战，且距离大宰府尚有一日行程。因此元军当晚回到船上，准备次日进攻大宰府。
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五百骑兵，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一百三十骑与元军展开战斗。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。火炮在战斗中发挥了重要作用。在元军撤退时，肥后武士竹崎季长率自己的族人四骑，尾追元军，负伤落马侥幸未死。元日战后，竹崎季长以自己参加战斗的经验和目睹实况为基础，绘画《蒙古袭来绘词》一卷，为研究元日战争留下了比较逼真的史料。在其中一幅画的左面，画有一个正在爆炸火光四射的球形铁火炮，说明火炮在这次战争中的应用。《太平记》中也记载：
“击鼓之后，兵刀相接，抛射出球形铁炮，沿山坡而下，形如车轮，声震如霹雳，光闪似闪电，一次可发射两三个弹丸，日本兵被烧害者多人，城上仓库着火，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，