至元十六年（南宋祥兴二年，1279年）正月初六，张弘范率元军水师自潮阳入海，沿海岸线向西往崖山海域行驶。
文天祥被囚于船中，也被张弘范带往崖山观战。
正月十二，元军船队途经珠江口外的零丁洋，文天祥一时间心潮起伏，感慨万千，挥笔写下他这一生最具传播度的一首诗——《过零丁洋》：
辛苦遭逢起一经，干戈寥落四周星。
山河破碎风飘絮，身世浮沉雨打萍。
惶恐滩头说惶恐，零丁洋里叹零丁。
人生自古谁无死，留取丹心照汗青。
第二天，也就是正月十三，元军抵达崖山海域。张弘范想催逼文天祥写信劝降张世杰，文天祥坚拒：“我自救父母不得，乃教人背父母，可乎？”说完把昨天写好的《过零丁洋》交出以明志。作为元军中诗名最盛的诗人，张弘范阅后连说：“好人！好诗！”也就不了了之。
二月初六，文天祥在崖山目睹了行朝的最后倾覆，犹如万箭穿心，他想投海自尽，却被元军严加看管。他日后回忆当时的求死不得：
崖山之败，亲所目击，痛苦酷罚，无以胜堪。时日夕谋蹈海，而防范不可出矣。
二月初六晚，文天祥在孤灯下写毕一首亡国挽歌：
南人志欲扶昆仑，北人气欲黄河吞。
一朝天昏风雨恶，炮火雷飞箭星落。
谁雌谁雄顷刻分，流尸漂血洋水浑。
昨朝南船满崖海，今朝只有北船在。
昨夜两边桴鼓鸣，今朝船船酣睡声。
北兵去家八千里，椎牛釃酒人人喜。
惟有孤臣两泪垂，冥冥不敢向人啼。
六龙杳霭知何处，大海茫茫隔烟雾。
我欲借剑斩佞臣，黄金横带为何人。
——《二月六日海上大战》（节选）
一个多月后，张弘范在广州大摆崖山庆功宴。席间，张弘范亲自向文天祥敬酒，以元丞相之位诱降：“国亡，丞相忠孝尽矣，能改心以事宋者事皇上，将不失为宰相也。”
文天祥泫然出涕：“国亡不能救，为人臣者死有余罪，况敢逃其死而二其心乎。”
当天酒宴后，张弘范自知劝降无望，将文天祥不屈及未杀之的情况，上奏元廷，交予忽必烈裁决。
四月十一日，忽必烈的圣旨来了，感叹“谁家无忠臣”，命张弘范善待文天祥，并将其押往大都。
行前，文天祥的二弟文壁也来广州向兄长告别。文壁本为南宋惠州知州，崖山之战后，以惠州降元。
见面时，文天祥丝毫没有指责二弟之意，对文壁使“宗祀不绝”的降元理由也给予认可。文天祥的母亲死于异乡，需要弟弟代为尽孝，将灵柩运归故乡。
文壁降元时，幼弟文璋也跟随二哥归降，做了元朝官员。文天祥听说后，写信劝说幼弟不做元臣，文璋接信后即辞官，从此隐居不仕。文氏兄弟三人，面对鼎革，选择了三条不同的人生道路。
殉国是文天祥的个人选择，但他并不想强求两位弟弟，尊重他们的个人选择。
文天祥在给文璋的信中说：“我以忠死，仲（即文壁）以孝仕，季（即文璋）也其隐……使千载之下，以是称吾三人。”
在给嗣子文陞的信中，文天祥则说：“吾以备位将相，义不得不殉国；汝生父与汝叔姑全身以全宗祀。惟忠惟孝，各行其志矣。”
“忠”与“孝”的相互抵牾，令文天祥等宋季士大夫进退维谷。临安解甲前，二十五岁的太学生郑思肖以孝之名黯然回乡。一年后，他在杜鹃啼血之作《心史》中内疚神明：
阅历凡几世，忠孝已相传。足大宋地，首大宋天，身大宋衣，口大宋田……我有老母病老病，相依为命生余生。欲死不得为孝子，欲生不得为忠臣。
惟志惟孝，各行其志。长兄以殉国全忠，两个弟弟以仕和隐尽孝，这就是文天祥勉力接受的“忠孝两全”。
至元十六年（1279年）四月二十二日，张弘范派人押解文天祥北上大都。与文天祥一同被押解的，还有其在崖山投海自尽未遂的庐陵同乡邓光荐。
十月初一傍晚，走走停停了五个多月，文天祥抵达大都。
文天祥一到大都，劝降的人便纷至沓来。
先是南宋降臣留梦炎。留梦炎与文天祥同为“状元丞相”，但文天祥丝毫没给他留情面，一见面便痛骂不止，事后还写诗讥讽留梦炎“梦回何面见江东”：你有何面目见家乡父老呢？
第二个出面的是瀛国公赵，即曾经的宋恭帝。文天祥一见旧主，即北面而拜，“乞回圣驾”，此时还不满十岁的赵自然说不出什么，只得怏怏而返。
第三个来的是平章政事阿合马。阿合马此时在元廷正烜赫一时，一见面便以大元丞相自居，逼文天祥下跪。文天祥针锋相对：“南朝宰相见北朝宰相，何跪？”阿合马嘲讽文天祥的俘虏身份：“你何以至此？”文天祥反击：“南朝早用我为相，北可不至南，南可不至北。”阿合马故意对左右说：“此人生死尚由我。”文天祥反唇相讥：“亡国之人，要杀便杀，道甚由你不由你！”
劝降无果，元廷给文天祥带上木枷缚住双手，囚禁在兵马司衙门的土牢里整整一个月，再派此后曾任丞相的忽必烈近臣孛罗开堂审问文天祥，张弘范也在一旁陪审。
孛罗为这次审问做了充分的准备，在枢密院的公堂上表现得咄咄逼人，甚至质疑文天祥是否算得上忠臣，试图攻破文天祥的心理防线。文天祥从容应对，一一驳倒孛罗的质问，气急败坏的孛罗只得终止庭问。
事后，孛罗在忽必烈御前主张杀掉文天祥，但张弘范则抱病上奏：文天祥“忠于所事，欲释勿杀”。