Trần Thái Tông rất chú trọng việc xây dựng quân đội thiện chiến, gồm cấm quân và quân các lộ. Năm 1239 ông ra lệnh tuyển đinh tráng trong nước làm lính; chia làm 3 bậc thượng, trung, hạ. Tháng 2 âm lịch năm 1241, ông tìm người khỏe mạnh và thạo võ nghệ cho gia nhập Cấm quân, gọi là quân thượng đô túc vệ. Sau đó, mùa xuân năm 1246 Thái Tông lập ra 3 vệ cấm quân, tên là Tứ thiên, Tứ thần, Tứ thánh. Đối với quân các lộ, nhà vua quy định: đinh tráng của hai lộ Long Hưng, Thiên Trường thì gia nhập quân Thiên thuộc, Thiên cương, Cương thánh, Cung thần; đinh tráng lộ Hồng, lộ Khoái thì gia nhập quân Tả Hữu Thánh Dực; đinh tráng hai lộ Trường Yên, Kiến Xương thì gia nhập quân Thánh Dực, Thần sách. Đinh tráng các lộ còn lại được cho vào quân Cấm vệ hoặc các đoàn đội trạo nhi (lính chèo thuyền). Tháng 8 âm lịch năm 1253, Thái Tông thành lập Giảng Võ đường để huấn luyện cho quan võ. Ở phía Nam, kể từ cuối thời Lý, Chiêm Thành thường xua quân cướp phá vùng ven biển của Đại Việt. Sau khi Nhà Trần thành lập, vua Thái Tông đã sai sứ sang thông hiếu với Chiêm. Người Chiêm một mặt dâng triều cống, mặt khác cho quân đánh phá Đại Việt và đòi vua Trần trả lại lãnh thổ bị mất năm 1069. Tháng 1 âm lịch năm 1252, Thái Tông cử em là Trần Nhật Hiệu làm Lưu thủ kinh sư, rồi thân chinh đánh Chiêm Thành. Quân Đại Việt thắng trận, bắt được vương hậu Bố Da La cùng nhiều thê thiếp, quân dân của vua Chiêm. Cuối năm 1252, vua Thái Tông đem quân về nước, phong Nhật Hiệu làm Thái úy. Thất bại này khiến Chiêm Thành phải chính thức thần phục Nhà Trần; sử Việt và thư từ ngoại giao giữa vua Trần với vua Mông Cổ đều xác định từ năm 1252 đến năm 1285, Chiêm Thành đã nhiều lần sai sứ sang triều cống (thậm chí vào năm 1279, nhiều sứ thần Chiêm còn xin ở lại làm quan cho vua Trần) và không gây một cuộc chiến nào với Đại Việt.