22 stycznia pod murami zachodniej części Bagdadu stanęły oddziały Bajdżu i Buka Timura. Tego samego dnia od południa, przekraczając kanał As-Sarsan, który łączył Tygrys z Eufratem poniżej miasta, pod mury podszedł Kitbuka, a zgrupowanie Qiyaqu zajęło pozycje naprzeciw wschodnich murów. W następnych dniach Mongołowie zacieśniali blokadę Bagdadu, zakładając ufortyfikowane obozy, budując palisadę naprzeciwko murów miasta i montując wielkie machiny oblężnicze – trebusze.
29 stycznia trebusze zaczęły miotać głazy (sprowadzane rzeką z Dżulala i Dżamal Karim, gdyż równina Bagdadu nie dostarcza tego rodzaju amunicji) oraz pocięte pnie palm daktylowych na Bramę Cudzoziemców we wschodniej części miasta. 1 lutego brama runęła. W ramach walki propagandowej Hulagu kazał sporządzić sześć jarłyków proklamujących: „Oszczędzimy kadich, uczonych, szejchów, potomków Alego, arkunów i tych, którzy zaniechają z nami walki”. Jarłyki przyczepiono do strzał, które wystrzelono za mury. Dwa dni później nastąpił szturm na ruiny Bramy Cudzoziemców i mury wschodniej części miasta. W nocy z 3 na 4 lutego obrońcy zostali z nich wyparci i Mongołowie zajęli szczyt murów miejskich, mając swobodny dostęp do dzielnic położnych na lewym brzegu Tygrysu.
Jednocześnie Hulagu-chan, chcąc przeszkodzić w ucieczce oblężonych rzeką, kazał zbudować mosty pontonowe przez Tygrys powyżej i poniżej Bagdadu oraz wysłał Buka Timura z jednym tumenem na szlak z Al-Mada’im do Basry. Uciekający ze stolicy kalifatu dawatdar Ajbak z oddziałem zbrojnych pod Karijat ad-Ukab dostał się pod taki grad kamieni, strzał i pocisków zapalających (podpalonych baniek z ropą naftową), że trzy łodzie zatonęły, a naczelny wódz kalifa musiał zawrócić do Bagdadu.
Tymczasem kalif Al-Mustasim wyprawił do Hulagu-chana posłów z prezentami o niewielkiej wartości, wedle kronikarzy licząc, że tym sposobem zyska w oczach zwycięzcy, ale nie zostali oni dopuszczeni przed jego oblicze. 5 lutego do Hulagu-chana pojechał średni syn kalifa z hojnymi darami i znowu nic nie wskórał. Wreszcie Al-Mustasim wyprawił do mongolskiego obozu starszego syna i wezyra. Tym razem Hulagu przyjął posłów i wysłał do Bagdadu tureckiego beja Ajtimura z żądaniem, aby dawatdar i inni dowódcy wyszli z miasta razem ze swoimi oddziałami. Hulagu jakoby chciał dokonać ich przeglądu przed planowaną wyprawą na Mameluków. Żądanie to zostało spełnione. 7 lutego 1258 roku wojsko kalifa opuściło miasto. Razem z nim do do obozów mongolskich wyszło wielu cywilnych mieszkańców. Mongołowie podzielili wojskowych i cywilów pomiędzy poszczególne tumeny, po czym na dany znak wszystkich zabili.
8 lutego stracono Mudżahid ad-Din Ajbaka. Dwa dni później do obozu mongolskiego przybył w towarzystwie trzech synów i 3 tys. dworaków kalif Al-Mustasim, oddając się w ręce zwycięzcy. Hulagu przywitał pokonanego uprzejmie i poprosił o wyprowadzenie z miasta całej ludności, rzekomo dla rejestracji. Życzenie chana zostało spełnione – z dokładnie takim samym skutkiem jak poprzednio. Wychodzących mieszkańców dzielono na małe grupy i zabijano. Wedle Raszid ad-Dina w ciągu trzech dni zginęło ok. 800 tys. cywilnych mieszkańców Bagdadu. Liczba ta może być przesadzona, ale zgładzenie takiej masy ludzi było możliwe. Pod Bagdadem stało ok. 100 – 120 tys. mongolskich wojowników, tak więc każdy z nich musiałby zamordować 6 – 7 osób w ciągu trzech dni. Niektórzy kronikarze twierdzili, że Mongołom mdlały ręce i wódz musiał im podnieść żołd, aby dokończyli rzezi. Nie była ona zresztą ślepa i powszechna.
