Hulagu a exigé la reddition ; le calife a refusé. Selon de nombreux témoignages, le calife ne s'est pas préparé au combat ; il n'a ni rassemblé d'armées ni renforcé les murs de Bagdad.
Hulagu a divisé ses forces, de sorte qu'elles ont menacé les deux côtés de la ville, sur les rives est et ouest du Tigre. Les Mongols attaquants ont brisé quelques digues et ont inondé le sol derrière l'armée du calife, les piégeant. Une grande partie de l'armée fut massacrée ou noyée.
Sous les ordres de Guo Kan, les homologues chinois de l'armée mongole ont alors assiégé la ville, construisant une palissade et un fossé, mettant en route des engins de siège et des catapultes. Le siège a commencé le 29 janvier. La bataille a été rapide, selon les normes du siège. Le 5 février, les Mongols contrôlaient une partie du mur. Al-Musta'sim a tenté de négocier, mais a été refusé.
Le 10 février, Bagdad a capitulé. Les Mongols ont envahi la ville le 13 février et ont commencé une semaine de massacres, de pillages, de viols et de destruction.