מבנה "חומות הים" היה דומה לזה של "חומות הארץ", אך פשוט מהן. הן היו בנויות מחומה יחידה, נמוכה יחסית, כי הסיכון להתקפה מכיוון הים היה נמוך יותר. חומות הים בחוף ים השיש היו בגובה 12–15 מטרים, עם 10 שערים ראשיים, 3 שערים קטנים ו-188 מגדלים. זרמי הבוספורוס והרוח הדרום-מערבית מנעו כמעט לחלוטין אפשרות של התקפה מאוניות המונעות על ידי רוח או משוטים. החומה הפונה אל קרן הזהב נבנתה במרחק של 40 מטרים מקו החוף, בגובה 10 מטרים, עם 17 שערים ו-110 מגדלים. חומות הים חוזקו מאוד כלקח מכיבוש העיר דרכן בתקופת מסע הצלב הרביעי.
הצבא הביזנטי.
להגנת החומות, שאורכן הגיע ל-22.5 קילומטרים, עמדו לרשות הקיסר כ-7,000 חיילים ותגבורת של כ-2,000 לוחמים איטלקים (לפי מקורות אחרים 7,000 לוחמים כולל הזרים). בנוסף לחיילים הצטרפו ללחימה גם חלק מתושבי העיר, אך מספרם של אלה התדלדל עוד לפני המצור בגלל מגפות שפגעו בה. על החוף השני של מפרץ קרן הזהב, מול קונסטנטינופול, ניצבה המושבה הגנואזית המבוצרת, גלאטה, שהיוותה חלק ממערך ההגנה של העיר. בשעת מלחמה נהגו הביזנטים לחסום את מעבר כלי השיט בקרן הזהב על ידי מתיחת שרשראות ברזל בין קונסטנטינופול ובין גלאטה. במהלך המצור על קונסטנטינופול שמרה גלאטה על נייטרליות, מה שאיפשר לה להגיש סיוע לוגיסטי מבלי להיות מעורבת בקרבות.
לרשות המגינים עמדו תותחים (קטנים מהתותחים הטורקיים), אך השימוש בהם היה מוגבל, כי רתיעתם פגעה בחומות עצמן. להגנה מפני פלישה מכיוון הים היה למגינים, בנוסף לחומות הים, גם נשק סודי: אש יוונית - מעין להביור שלא ידוע איך פעל ומה היה הרכב הדלק ששימש אותו.
הצבא העות'מאני.
לפקודתו של הסולטאן הטורקי עמד צבא שהיקפו מוערך בכ-80,000 עד 200,000 לוחמים, כולל 5,000 עד 20,000 יניצ'רים. העות'מאנים גייסו מהנדס בשם אורבאן, שהיה מומחה בבניית תותחי מצור גדולים, כלי נשק חדשני באותה תקופה באזור זה. אורבאן יצר תותח-על, שכונה "באזיליק" (Basilik), אורכו היה יותר משמונה מטרים, קוטרו 75 סנטימטרים והיה מסוגל לשלח פגז במשקל של למעלה מחצי טון למרחק של כמעט ארבעה קילומטרים. נדרשו שישים שורים, כדי להעביר את התותח מהמקום בו נוצק, באדריאנופול, עד לקונסטנטינופול. התותח לא היה מדויק, טעינתו דרשה לפחות שלוש שעות ומספר הפגזים היה מוגבל. התותח התפרק, בגלל הרתע העצמי, לאחר שישה שבועות. אורבאן יצק עבור העות'מאנים גם תותחי מצור קטנים יותר.
לרשות הסולטאן עמד צי שהמקורות השונים נתנו הערכות שונות לגבי מספר אוניותיו, 100, 145, 160, 200-250 ו-430 ובראשו האדמירל העות'מאני ממוצא בולגרי בלטאואולו (Baltoğlu). מרבית המלחים בצי היו שכירי חרב יוונים.
ההכנות למצור.
בתחילת פברואר 1453 ציווה מהמט השני להעביר את תותח העל מהמקום בו יצקו אותו, באדריאנופול, אל קונסטנטינופול. לשם העברתו גויסו 30 זוגות שוורים משובחים, שמשכו אותו. משני צדדיו של התותח הלכו מאתיים גברים, שתמכו בו, כדי שלא יסטה מהדרך. לפני התותח צעדו 50 נגרים ומאתיים עובדים, שהכינו גשרוני עץ בכל מקום בו נזקקו ליישור הדרך. התותח הגיע ליעדו בחודש מרץ והוצב במרחק חמישה מילים מקונסטנטינופול.
במקביל נשלח קאראג'ה ביי עם צבאות, כדי לכבוש את המבצרים הקטנים, שהיו על חוף הים השחור וים השיש בשליטה ביזנטית, במרחב הקרוב לזירת הקרבות העתידית. קאראג'ה כבש כמה מבצרים והוציא להורג את מגיניהם וביתר המבצרים המגינים העדיפו להיכנע ולהציל את חייהם. המבצר בסיליברי לא נכנע ועמד בהצלחה מול העות'מאנים, שהסתפקו בהטלת מצור עליו. קאראג'ה קיבל הוראות לשמור על תותח העל ולמנוע מהביזנטים יציאה משערי העיר ולשם כך נשארו כל החורף במקום שלושה דגלים של חיילים מאזורי מיסיה ופפלגוניה.
האדמירל בלטאואולו יצא עם הצי הטורקי אל איי הנסיכים, כבש אותם ושיעבד את האוכלוסייה.
המצור.
לפי הוראות הקיסר נסגרו שערי העיר והאוכלוסייה, שמנתה 50,000 תושבים, כולל הפליטים שהגיעו לעיר, התכוננה לעמוד במצור. פרט ל-700 תושבים לטיניים, שעזבו בשתי ספינות, נשארו תושבי העיר בתחומיה ולקחו חלק פעיל בהגנתה. הם סייעו בחסימת הפרצות שיצרו התותחים, תרמו כסף וזהב כדי לגייס את הסכומים הדרושים לתשלום החיילים השכירים ואף לחמו על החומות.
הצבא העות'מאני הגיע לחומות העיר וחנה בקרבת מקום ב-2 באפריל 1453, בחג הפסחא. התוכנית של מהמט הייתה לתקוף את חומות תאודוסיוס, שהגנו על העיר מכיוון מערב, הכיוון היבשתי היחיד. התותח הטורקי הגדול, בזיליק, הופעל במשך מספר שבועות כנגד החומות ופגע בהן. המרווחים הגדולים שבין ירייה אחת לשנייה אפשרו למגינים לסתום פרצות בחומות ולשקם אותן, אך מלאכת הרס החומות נמשכה ללא הרף - זו הייתה הפעם הראשונה שהחומות עמדו נגד תותחים גדולים.
בבוקרו של יום שישי ה-20 באפריל הגיעו מכיוון ים השיש ארבע ספינות עם אספקה עבור העיר, שלוש ספינות של בני ג'נובה וספינת מסע יוונית גדולה. הצי הטורקי נחפז לצאת לקראתן כדי למנוע את הגעתן לנמלי העיר, אך הספינות, שנעזרו ברוח מתאימה וספניהן לחמו בגבורה רבה, כולל הפעלת אש יוונית, הצליחו לחדור לתוך קרן הזהב ולהביא את האספקה לעיר. הסולטאן הזועם פיטר את האדמירל בלטאואולו ומינה תחתיו את המזה ביי. הסולטאן המשיך לקצוף על האדמירל וציווה להוציאו להורג, אך מפקדים אחרים ביקשו מהסולטאן לחון אותו, הצביעו על כך שנלחם בגבורה ולבסוף נענה הסולטאן, ויתר על ההוצאה להורג, אך הדיח אותו מכל דרגותיו ותואריו.
הטורקים העות'מאנים התחכמו למערכות המגינות והעבירו ספינות טורקיות דרך היבשה לתוך מפרץ קרן הזהב החסום באסדות ביזנטיות. הטורקים כרתו כמות גדולה של גזעי עצים, שימנו אותם ועל גביהם העבירו 70 כלי השיט בדרך שעקפה את גלאטה מצפון. כניסת כלי השיט הטורקיים לתוך מפרץ קרן הזהב פגעה באספקה שקיבלה קונסטנטינופול דרכו מהגנואים ואילצה את המגינים להעביר כמות נוספת של חיילים לשמירת חומות הים מכיוון קרן הזהב - חיילים שנגרעו מהגנת יתר החומות.
הטורקים הסתערו על חומות העיר כל יום ונהדפו באבדות כבדות, אך מהמט השני סמך על כמות החיילים הגדולה, שעלתה בהרבה על מספר המגינים. הטורקים ניסו לחדור לעיר גם בעזרת מנהרות שנחפרו על ידי מהנדסים סרבים שנשלחו למטרה זו מנובו ברדו על ידי הדספוט של סרביה. בראש החופרים עמד זאנוס פאשה (Zağanos Paşa) ומנגד שכרו הביזנטים את שירותיו של יוהנס גרנט (Johannes Grant) שהיה ממוצא סקוטי או גרמני וניהל חפירות נגדיות שבמהלכן הצליחו הביזנטים ללכוד מהנדס טורקי חשוב. המהנדס הטורקי, שנשבה, עונה ומסר לשוביו את מיקום החפירות הטורקיות, וכך הצליחו המגינים להכשילן, חלקן פוצצו, חלקן הוצפו במים ובחלקן החיילים המגינים הרגו את החופרים.
בשלב מסוים הציע מהמט לביזנטים להסיר את המצור אם הנצורים ישלמו לו פיצוי הולם. הסכום בו נקב מהמט היה מעבר לאפשרויות הביזנטים והמצור נמשך וכך גם ההסתערויות היום-יומיות על החומות, הסתערויות שנועדו להתיש את המגינים.
ביום 22 במאי 1453 התרחש ליקוי ירח, אירוע שהטיל מורא על המגינים, בין היתר משום שהירח היה סמל העיר קונסטנטינופול. כעבור ארבעה ימים כיסה ערפל סמיך את העיר, תופעה לא צפויה בעונה זו של השנה באותו מקום. כשהערפל התפזר, בסוף היום, נראו להבות אופפות את כנסיית איה סופיה. להבות נראו משתקפות גם על חומות העיר והרחק מאחורי המחנה העות'מאני. המגינים הנוצרים פירשו זאת כעזיבת רוח הקודש את הכנסייה. מחקר מודרני מצביע על הסבר תופעות אקלימיות שנבעו מהתפרצות געשית חזקה מאוד שהתרחשה באוקיינוס השקט - השתקפות הזריחה באוויר הגדוש אפר געשי יצר את אשליית הלהבות.
כיבוש העיר.
המתקפה הסופית החלה לאחר חצות הליל, ב-29 במאי 1453. הגל הראשון של המסתערים היה מורכב מאזאבים (מגויסים שסיפקו היישובים העות'מאנים) ומטרתם להרוג כמה שיותר מגינים ולהקל בכך על גלי ההסתערות הבאים. גל המסתערים השני הורכב מחיילים בני אנטוליה. בגל המסתערים השלישי שלח הסולטאן מהמט השני לתוך המערכה את הקלף החזק ביותר, את היניצ'רים הממושמעים והמאומנים, שמצאו לפניהם את מגיני העיר מותשים מהמתקפות הקודמות ומהמאמץ הסיזיפי לחסום את הפרצות שיצרו התותחים העות'מאניים.
התותחים הגדולים יצרו פרצה ברוחב 30 מטרים בקרבת שער "רומאן הקדוש"; חלקים מהחומה כבר נכבשו ובמהרה נראו דגלים טורקיים ראשונים על החומות. מול הטורקים העות'מאניים לחמו המגינים באומץ רב ובראשם הקיסר עצמו, שדחה הפצרות לעזוב את העיר. ביום שקדם להסתערות הסופית, עברו המגינים את הטקסים הדתיים המתאימים, מתוך מחשבה שמותם צפוי בקרוב. לא רק המקומיים, גם החיילים הגנואזים והוונציאנים לחמו באומץ רב, אך הכף הוכרעה וההגנה התמוטטה.
כמנהג התקופה, ניתנו לחיילים העות'מאנים שלושה ימים לבזיזת העיר. בשכונות מסוימות, בעיקר ליד חומות הים, התושבים המקומיים נשאו ונתנו עם הצרים, פתחו להם את השערים והצילו בכך את חיי משפחותיהם. מלחי הצי העות'מאני אשר חששו שצבא היבשה יבזוז את העיר ולא ישאיר להם נתח ראוי, נחפזו להיכנס לתוך נמלי העיר ולעוט עליה, תאבים לשדוד אותה. חיפזון זה שיחק לידי חלק מהמגינים שעלו על אוניות שנמלטו מהעיר. הנמלטים לקחו איתם גם את ג'ובאני ג'וסטיניאני הפצוע. ג'ובאני ג'וסטיניאני נלקח לאי כיוס ושם מת מפצעיו לאחר כמה ימים.
הקיסר נהרג בקרבות, ראשו נכרת מעליו והוצג לראווה, בעוד שלגופו נערכה קבורה ראויה למעמדו. קברו תוחזק על ידי השלטונות העות'מאניים עד תחילת המאה ה-20.