Много по-опасни и настойчиви в своите действия се оказали обаче византийците. Михаил Палеолог, който лично подготвил намесата срещу Ивайло, не жалел сили и средства, за да проведе докрай своя план.
През пролетта на 1278 година, още докато Ивайло бил зает на фронта срещу татарите, византийците хвърлили срещу България нови войски. Една многочислена армия под ръководството на Михаил Глава преминала с кораби покрай брега на Черно море и слязла в околностите на Варна. Нашествениците успели да завземат това голямо черноморско пристанище, подир което след кървави сражения в ръцете им паднали селищата Галата, Петрич (близо до днешното село Белослав), Проватон (Провадия), Козяк (днес село Обзор) и др. Едновременно с настъплението в Североизточна България, други неприятелски части били изпратени, за да завземат градовете в Тракия между Черно море и Стара планина, както и източните старопланински проходи.
Начело на отбраната на застрашените области стоели опитни воеводи, калени в предишните боеве срещу татари и византийци. Най-упорит и мъжествен от тях бил Стан, който със своите войски по това време защищавал областта Загоре, т.е. заетите от неприятеля територии в Тракия. Други отличили се воеводи били Дамян, Куман, Кънчо и Момчил. За тях се споменава в стихотворната поема на византийския поет Мануил Фил, където се описват бойните действия на навлязлата в България византийска войска под ръководството на Михаил Глава и се отбелязва упоритата съпротива на българите.
Особено ожесточени сражения били водени с настъпването на лятото на 1276 година по склоновете на Източния Балкан и в Котленския и Върбишкия проход. С бесни пристъпи нашествениците се мъчели да завземат крепостите около Котел и Преслав, Овчата, Белград, Върбица, Девина, Грамена, Ичера и др. Навсякъде те били посрещани с упорит отпор, организиран от смелите Ивайлови воеводи.
Н все пак, макар и с цената на много жертви, византийската войска се придвижвала постепенно и окупираната от нея територия се увеличавала. В ръцете на врага паднали такива крепости като Преслав, Проватон (Провадия), Крън, Айтос и други български селища.
Скоро обаче настъпил обрат. Освободен от грижите за северната граница след прогонването на татарите, Ивайло побързал да се притече на помощ на юг и лично поел командуването на войската. Ако се вярва на разказа на Мануил Фил, при първата си среща с византийските военни отреди той претърпял несполука, но в последствие бойното щастие минало окончателно на негова страна.
На няколко пъти нашествениците били поголовно разбити, а заетите от тях селища освободени. Между тях се намирала и старата българска столица Преслав. С тревога сочи Пахимер настъпилата неблагоприятна промяна след появата на Ивайло в застрашената от византийците област. „Неговите смели битки — отбелязва той — излизаха сполучливи и онези, които се противопоставяха на неговия стихиен устрем, не бяха в състояние да удържат.“ По признанието на същия автор само при появата на Ивайловата войска византийските войници изпадали в страшна тревога и силите им се сковавали пред мисълта за предстоящото сражение.
Разтревожен от неблагоприятния ход на събитията, който вещаел край на неговите планове, византийският император Михаил Палеолог отново се обърнал за помощ към съюзника си Ногай. И отново на юг от Дунава през есента на 1278 година се появили татарите. Ивайло, който по това време се намирал в Търново, бил принуден да излезе от столицата и се отправил към застрашените от татарските набези краища. Започнала пак борба на два фронта, която раздвоявала силите на българския народ.
При новосъздадената обстановка византийските нашественици зашеметени от нанесените им тежки удари, се съвзели и настъплението им продължило. Същевременно вдигнали глава и започнали да кроят враждебни планове онези търновски боляри, които само по принуда били признали властта на Ивайло и които в никакъв случай не желаели да се примирят с мисълта, че на царския престол е седнал прост селянин. Появата на татарите и излизането на Ивайло от Търново, за да се бие срещу тях, развързали ръцете на недоволниците и им дали възможност да започнат преговори с Михаил Палеолог. Водени от омраза срещу Ивайло, групата търновски боляри предпочели да предадат страната на врага и да приемат като свой господар византийския агент, Иван Асен.
За да осъществят по-лесно замисленото си дело, те пуснали слух, че Ивайло е разбит от татарите и е паднал в боя. Като мълния се разнесла по всички краища на България зловещата новина. Населението на Търново изпаднало в страшна паника. Нямало вече кой да спре татарските пълчища, не бил жив този, който единствен можел да организира борбата за прогонване на нашественика. А между Това византийските войски продължавали настъплението си. Изправени между две опасности — от север и от юг, — търновските жители предпочели тази, която в дадения момент им се виждала по-малка: да се предадат на византийците и да пуснат Иван Асен в града. Така и станало. В късната есен на 1278 година византийските войски били вече недалеч ог столицата, а през зимата на 1279 година влезли в нея без бой.