至元十六年（南宋祥興二年，1279年）正月初六，張弘範率元軍水師自潮陽入海，沿海岸線向西往崖山海域行駛。
文天祥被囚於船中，也被張弘範帶往崖山觀戰。
正月十二，元軍船隊途經珠江口外的零丁洋，文天祥一時間心潮起伏，感慨萬千，揮筆寫下他這一生最具傳播度的一首詩——《過零丁洋》：
辛苦遭逢起一經，干戈寥落四周星。
山河破碎風飄絮，身世浮沉雨打萍。
惶恐灘頭說惶恐，零丁洋裡嘆零丁。
人生自古誰無死，留取丹心照汗青。
第二天，也就是正月十三，元軍抵達崖山海域。張弘範想催逼文天祥寫信勸降張世傑，文天祥堅拒：「我自救父母不得，乃教人背父母，可乎？」說完把昨天寫好的《過零丁洋》交出以明志。作為元軍中詩名最盛的詩人，張弘範閱後連說：「好人！好詩！」也就不了了之。
二月初六，文天祥在崖山目睹了行朝的最後傾覆，猶如萬箭穿心，他想投海自盡，卻被元軍嚴加看管。他日後回憶當時的求死不得：
崖山之敗，親所目擊，痛苦酷罰，無以勝堪。時日夕謀蹈海，而防範不可出矣。
二月初六晚，文天祥在孤燈下寫畢一首亡國輓歌：
南人志欲扶崑崙，北人氣欲黃河吞。
一朝天昏風雨惡，炮火雷飛箭星落。
誰雌誰雄頃刻分，流屍漂血洋水渾。
昨朝南船滿崖海，今朝只有北船在。
昨夜兩邊桴鼓鳴，今朝船船酣睡聲。
北兵去家八千里，椎牛釃酒人人喜。
惟有孤臣兩淚垂，冥冥不敢向人啼。
六龍杳靄知何處，大海茫茫隔煙霧。
我欲借劍斬佞臣，黃金橫帶為何人。
——《二月六日海上大戰》（節選）
一個多月後，張弘範在廣州大擺崖山慶功宴。席間，張弘範親自向文天祥敬酒，以元丞相之位誘降：「國亡，丞相忠孝盡矣，能改心以事宋者事皇上，將不失為宰相也。」
文天祥泫然出涕：「國亡不能救，為人臣者死有餘罪，況敢逃其死而二其心乎。」
當天酒宴後，張弘範自知勸降無望，將文天祥不屈及未殺之的情況，上奏元廷，交予忽必烈裁決。
四月十一日，忽必烈的聖旨來了，感嘆「誰家無忠臣」，命張弘範善待文天祥，並將其押往大都。
行前，文天祥的二弟文壁也來廣州向兄長告別。文壁本為南宋惠州知州，崖山之戰後，以惠州降元。
見面時，文天祥絲毫沒有指責二弟之意，對文壁使「宗祀不絕」的降元理由也給予認可。文天祥的母親死於異鄉，需要弟弟代為盡孝，將靈柩運歸故鄉。
文壁降元時，幼弟文璋也跟隨二哥歸降，做了元朝官員。文天祥聽說後，寫信勸說幼弟不做元臣，文璋接信後即辭官，從此隱居不仕。文氏兄弟三人，面對鼎革，選擇了三條不同的人生道路。
殉國是文天祥的個人選擇，但他並不想強求兩位弟弟，尊重他們的個人選擇。
文天祥在給文璋的信中說：「我以忠死，仲（即文壁）以孝仕，季（即文璋）也其隱……使千載之下，以是稱吾三人。」
在給嗣子文陞的信中，文天祥則說：「吾以備位將相，義不得不殉國；汝生父與汝叔姑全身以全宗祀。惟忠惟孝，各行其志矣。」
「忠」與「孝」的相互牴牾，令文天祥等宋季士大夫進退維谷。臨安解甲前，二十五歲的太學生鄭思肖以孝之名黯然回鄉。一年後，他在杜鵑啼血之作《心史》中內疚神明：
閱歷凡幾世，忠孝已相傳。足大宋地，首大宋天，身大宋衣，口大宋田……我有老母病老病，相依為命生餘生。欲死不得為孝子，欲生不得為忠臣。
惟志惟孝，各行其志。長兄以殉國全忠，兩個弟弟以仕和隱盡孝，這就是文天祥勉力接受的「忠孝兩全」。
至元十六年（1279年）四月二十二日，張弘範派人押解文天祥北上大都。與文天祥一同被押解的，還有其在崖山投海自盡未遂的廬陵同鄉鄧光薦。
十月初一傍晚，走走停停了五個多月，文天祥抵達大都。
文天祥一到大都，勸降的人便紛至沓來。
先是南宋降臣留夢炎。留夢炎與文天祥同為「狀元丞相」，但文天祥絲毫沒給他留情面，一見面便痛罵不止，事後還寫詩譏諷留夢炎「夢迴何面見江東」：你有何面目見家鄉父老呢？
第二個出面的是瀛國公趙，即曾經的宋恭帝。文天祥一見舊主，即北面而拜，「乞回聖駕」，此時還不滿十歲的趙自然說不出什麼，只得怏怏而返。
第三個來的是平章政事阿合馬。阿合馬此時在元廷正烜赫一時，一見面便以大元丞相自居，逼文天祥下跪。文天祥針鋒相對：「南朝宰相見北朝宰相，何跪？」阿合馬嘲諷文天祥的俘虜身份：「你何以至此？」文天祥反擊：「南朝早用我為相，北可不至南，南可不至北。」阿合馬故意對左右說：「此人生死尚由我。」文天祥反唇相譏：「亡國之人，要殺便殺，道甚由你不由你！」
勸降無果，元廷給文天祥帶上木枷縛住雙手，囚禁在兵馬司衙門的土牢裡整整一個月，再派此後曾任丞相的忽必烈近臣孛羅開堂審問文天祥，張弘範也在一旁陪審。
孛羅為這次審問做了充分的準備，在樞密院的公堂上表現得咄咄逼人，甚至質疑文天祥是否算得上忠臣，試圖攻破文天祥的心理防線。文天祥從容應對，一一駁倒孛羅的質問，氣急敗壞的孛羅只得終止庭問。
事後，孛羅在忽必烈御前主張殺掉文天祥，但張弘範則抱病上奏：文天祥「忠於所事，欲釋勿殺」。