Tháng 10, năm 1389 (năm Kỷ Tỵ), quân Chiêm lại kéo quân sang đánh nước ta một lần nữa. Lần này, đích thân Chế Bồng Nga chỉ huy. Quân Chiêm Thành đến đánh chiếm Thanh Hóa, đánh vào hương Cổ Vô, vua Thuận Tông sai Hồ Quý Ly đem quân chống giữ. Quân Chiêm Thành đắp ngăn dòng sông ở thượng lưu. Quan quân nhà Trần đóng nhiều cọc để đối địch. Giặc cho quân và voi mai phục, giả bỏ trại mà về. Quý Ly chọn những quân tinh khỏe gọi là quân cảm tử, đuổi theo để đánh; quân thủy nhổ cọc ra đánh. Biết quân nhà Trần bị mắc mưu, lúc này giặc Chiêm bèn phá đập chắn nước rồi cho voi xông ra. Quân ta trận đó thiệt hại lớn; nhiều tướng bị giặc bắt. Khi đó Hồ Quý Ly về kinh thành xin vua cho thêm thuyền ra tiếp ứng, nhưng vua không đồng ý. Hồ Quý Ly xin từ chức không đi đánh nữa. Hai tướng Phạm Khả Vĩnh và Nguyễn Đa Phương cũng không cầm cự nổi với giặc. Quân Chiêm Thành thừa thắng tiến ra Bắc, đóng quân trên sông Hoàng Giang (nay thuộc Hà Nam). Kinh thành Thăng Long lại rơi vào thế hỗn loạn, nhiều người bỏ đi lánh nạn.

Trong tình thế nguy cấp đó, Thượng hoàng Trần Nghệ Tông bèn sai tướng Trần Khát Chân, lúc đó chỉ là một võ tướng cấp thấp chỉ huy đội quân Long Tiệp đi đánh giặc. Trần Khát Chân khẳng khái vâng mệnh vua ra trận. Thượng hoàng Trần Nghệ Tông đã khóc khi tiễn đưa tướng Trần Khát Chân. Quân ta xuất phát từ sông Hồng, đi đến Hoàng Giang( Hà Nam) thì gặp giặc. Trần Khát Chân quan sát thấy địa hình ở đó khó tổ chức đánh trả, bèn lui quân về giữ Hải Triều (thuộc sông Luộc chảy qua Phủ Cừ- Hưng Yên và Hưng Hà- Thái Bình). Lúc đó, Trần Nguyên Diệu, em của Phế đế Trần Hiện đem bè lũ đầu đảng chạy theo quân Chiêm với ý định báo thù Nghệ Tông và Hồ Quý Ly đã giết chết anh trai. Tháng giêng năm Canh Ngọ (1390), Chế Bồng Nga cùng với Nguyên Diệu đem hơn 100 chiến thuyến tiến vào Hải Triều dò xét tình hình quân ta để định đánh lớn. Lúc bấy giờ có tên Ba Lậu Kế, một tiểu thần của Chế Bồng Nga vừa bị quở phạt, sơ chết, y trốn sang quân Trần. Chính y đã tiết lộ cho Trần Khát Chân biết đặc điểm chiến thuyền của Chế Bồng Nga (màu xanh lục). Biết được điều đó, Trần Khát Chân mừng lắm, bèn cho tập trung hỏa lực bắn thẳng vào thuyền của Chế Bồng Nga. Chế Bồng Nga trúng đạn chết tại trận. Quan quân nhà Chiêm bị mất chỉ huy như rắn không đầu, bị đánh cho chạy tán loạn. Trần Khát Chân sai chặt đầu của Chế Bồng Nga bỏ vào hòm chở về bến Bình Than, nơi Thượng Hoàng đóng quân báo tin. Lúc bấy giờ mới là canh ba, Thượng Hoàng còn đang ngủ. Bị đánh thức dậy, tưởng là quân giặc đánh tới nơi, nhưng khi nhận tin báo quân ta đem thủ cấp Chế Bồng Nga về nộp báo tin thắng trận thì mừng rỡ, liền thiết triều, cho mời quần thần đến xem.

Tướng Chiêm Thành La Ngai đem tàn quân chạy về nước chiếm ngôi vua. Hai con trai của Chế Bồng Nga là Chế Ma Nô Đà Nan và Chế Sơn Nô sợ bị giết đã chạy sang xin hàng vua Trần.

Thật tiếc là sau này vào thời suy vi của nhà Trần, ông đã bị Hồ Quý Ly sát hại cùng với 370 quan quân khác của nhà Trần trong một trận chiến. Ông mất khi mới 29 tuổi. Sau khi ông mất, tưởng nhớ công lao của ông đối với dân, với nước; nhân dân đã lập đền thờ ông ở làng Phương Nhai và sườn núi Đốn. Tại Kinh đô Thăng Long, nhân dân vùng Kẻ Mơ cũng lập đền thờ ông.

Ngày nay tại Thủ đô Hà Nội và TP Hồ Chí Minh đều có đường phố mang tên ông để ghi nhớ công lao to lớn của vị danh tướng cuối đời Trần.