Hulagu eiste overgave; de kalief weigerde. Veel verslagen zeggen dat de kalief zich niet voorbereidde op de strijd; hij verzamelde geen legers en versterkte de muren van Bagdad niet.
Hulagu verdeelde zijn troepen, zodat ze beide kanten van de stad bedreigden, aan de oost- en aan de westoever van de Tigris. De aanvallende Mongolen braken enkele dijken door en zetten de grond achter het leger van de kalief onder water, waardoor ze ingesloten raakten. Een groot deel van het leger werd afgeslacht of verdronk.
Op bevel van Guo Kan belegerden de Chinese tegenhangers van het Mongoolse leger vervolgens de stad door een palissade en een gracht aan te leggen en belegeringsmachines en katapulten op te stellen. Het beleg begon op 29 januari. De strijd verliep snel, naar belegeringsnormen. Op 5 februari controleerden de Mongolen een stuk van de muur. Al-Musta'sim probeerde te onderhandelen, maar werd geweigerd.
Op 10 februari gaf Bagdad zich over. De Mongolen vielen de stad op 13 februari binnen en begonnen aan een week van slachting, plundering, verkrachting en vernietiging.