Thuộc dòng dõi hoàng tộc, Trần Quốc Toản lớn lên trong cảnh đất nước chuẩn bị chống quân Nguyên sang cướp phá và xâm lược nước ta lần thứ hai.
Theo kết quả những nghiên cứu gần đây, Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản là con của Vũ Uy vương Trần Nhật Duy và bà Trần Ý Ninh. Trần Quốc Toản là cháu nội của vua Trần Thái Tông.
Khi quân Mông Cổ xâm chiếm Đại Việt lần thứ nhất (1258), Trần Nhật Duy đang làm Tổng trấn biên giới phía Bắc. Sau khi giành chiến thắng, vua Trần Thánh Tông cử Trần Nhật Duy và vợ là Trần Ý Ninh cùng một số tướng sang giúp nhà Tống, vì lo rằng nếu Mông Cổ tiêu diệt nhà Tống, họ sẽ kéo sang đánh Đại Việt lần nữa.
Trần Quốc Toản được sinh ra ở đất Tống nên có nhiều bạn bè là con cháu trong hoàng tộc nhà Tống. Năm 1279, sau khi nhà Tống bị nhà Nguyên tiêu diệt hoàn toàn, một số người Tống kéo sang Đại Việt lánh nạn và giúp nhà Trần đánh giặc Mông – Nguyên. Một đội quân do hoàng tử Tống tên Triệu Trung cầm đầu chiến đấu dưới sự chỉ huy của Chiêu Văn vương Trần Nhật Duật.
Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản cũng cầm đầu một đội quân khác chiến đấu dưới sự chỉ huy của tướng Trần Nhật Duật. Sau đó, Quốc Toản gặp và kết hôn với Triệu Ngọc Hoa, em gái của Triệu Trung. Vì lấy vợ Tống nên mặc dù trung nghĩa và lập được nhiều chiến công, Trần Quốc Toản chỉ được phong tước hầu chứ không được phong tước vương.
Tuổi nhỏ tài cao
Tương truyền thuở nhỏ, Trần Quốc Toản rất ham mê cung kiếm, thao luyện võ nghệ, học tập binh thư và được Hưng Đạo vương rất khen ngợi. Khi mới 15 tuổi, thiếu niên này đã hừng hực chí lớn muốn diệt giặc, bảo vệ sự toàn vẹn cho non sông đất nước.
Trước khi Hoài Văn hầu chào đời 10 năm, quân dân Đại Việt đã khiến giặc Nguyên Mông thua tan tác.
Biết rằng giặc Nguyên Mông không bao giờ từ bỏ giấc mộng thôn tính Đại Việt, triều đình nhà Trần một mặt giảng hòa với nhà Nguyên, một mặt tích cực chuẩn bị lực lượng sẵn sàng ứng phó.
Suốt từ năm 1258 trở đi, trong khoảng 1/4 thế kỷ, nhà Trần áp dụng phương sách đối ngoại mềm dẻo, linh hoạt nhưng cũng không kém phần cương quyết. Không ít lần vua Trần khéo léo từ chối những yêu sách quá quắt của Hốt Tất Liệt, hoàng đế Nguyên Mông. Tuy nhiên, khi chúng ta càng nhân nhượng, nhà Nguyên càng tỏ rõ ý đồ và chuẩn bị cho cuộc tấn công xuống nước ta.
Trước nguy cơ đó, tháng 10/1282, vua Trần Nhân Tông triệu tập Hội nghị Bình Than để bàn phương hướng kháng chiến và quyết định lực lượng. Do mới 16 tuổi, Hoài Vương hầu không được mời dự hội nghị. Chàng thiếu niên này vẫn tới bến Bình Than, đòi được vào.
Bị lính canh chặn cửa, Quốc Toản vặn hỏi: “Ta là Hoài Văn hầu, quan gia truyền gọi tất cả vương, hầu tới họp. Ta là hầu, cớ sao không cho vào?”.
Thấy chuyện ầm ĩ bên ngoài, Trần Nhân Tông hỏi ra mới biết chuyện, bèn cho người mang ban cho Hoài Văn hầu một quả cam và khuyên lui bước vì chưa đến tuổi bàn việc nước.
Đại Việt sử ký toàn thư chép: “Vua thấy Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản, Hoài Nhân Vương Kiện đều còn trẻ tuổi, không cho dự bàn. Quốc Toản trong lòng hổ thẹn, tay cầm quả cam, bóp nát lúc nào không biết”.
“Sau đó, Quốc Toản lui về, huy động hơn nghìn gia nô và người dân, sắm vũ khí, đóng chiến thuyền, thêu lên cờ sáu chữ: Phá cường địch, báo hoàng ân (phá giặc mạnh, báo ơn vua)".
Năm 1285, vua Trần Nhân Tông sai Chiêu Thành Vương, Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản và tướng quân Nguyễn Khoái đem một nhóm binh lính đón đánh quân Nguyên ở bến Tây Kết. Sách Đại Việt sử ký toàn thư chép: “Khi vào trận với giặc, (Hoài Văn hầu) tự mình xông lên trước quân sĩ, giặc trông thấy phải lui tránh, không dám đối địch”.
Chỉ sau 1 tháng, quân Nguyên bị đánh bại ở Kinh Thành và Chương Dương. Tướng Nguyên là Thoát Hoan, Bình Chương A Lạt phải bỏ chạy qua sông Lô.
Bí ẩn về cái chết của vị anh hùng trẻ tuổi
Nhiều sách sử của Việt Nam đều không đề cập chi tiết tới cái chết của Trần Quốc Toản, thời gian ông mất cũng chưa được thống nhất.
Theo sách Việt sử Kỷ yếu của Trần Xuân Sinh, khi Ô Mã Nhi đánh vào Vân Đồn để cướp lại lương thực, quân của Trần Quốc Toản và Trần Khánh Dư chống trả kịch liệt. Trần Quốc Toản bị thương trong trận đánh này và qua đời ngày 2/2 âm lịch, khi mới 18 tuổi".
Cũng có sách cho rằng Trần Quốc Toản tử trận trong cuộc chiến đấu với quân Nguyên ở sông Như Nguyệt (sông Cầu) vào tháng 5 năm Ất Dậu (tháng 6 năm 1285).
Còn Đại Việt sử ký Toàn thư chép: “Đến khi Hoài Văn hầu Trần Quốc Toản mất, vua rất thương tiếc, đích thân viết văn tế và gia phong tước Vương”.
Quyển Kinh thế đại điển tự lục trong Nguyên văn loại - sách sử của nhà Nguyên - có viết: “Đến sông Như Nguyệt, Nhật Huyên sai Hoài Văn hầu đến đuổi thì bị giết".