הרומאים בנו דייק מסביב לביתר, הטילו עליה מצור כבד, וניתקו אותה מאספקת המים. הדייק שכלל גם עמדות ירי כנראה בצד הדרום מערבי (שולטן וציקרמן). אורך הדייק היה מעל 4,000 מטר - יותר מהדייק של מצדה. ניתן להניח שבנוסף לחומת האבן ששרידיה נשתמרו בשטח, כללה מערכת הדייק אלמנטים נוספים, המוכרים הן מן הספרות הרומאית והן מן הספרות התלמודית כדוגמת מכשולים שונים, ועוד. על טיב הדייק ומשמרות הפיטרול הרומיים סביב ביתר, מרמזים דברי התוספתא (יבמות יד, ח):
כלומר שאלת העגינות כלל לא עמדה על הפרק: מי שניסה לברוח נכשל והומת. יש הסוברים שמספרם הרב של האנשים, שנראה כמו יחידה צבאית, לא מתאר ניסיון הסתננות אלא מתקפה צבאית של לוחמי בר כוכבא על מחנה הרומאים, ואת חוסר התוחלת שבדבר.
חוקרים מעריכים שהכוח הרומאי שהשתתף במצור כלל כ-12,000 איש, מתוכם 8,000 איש שהשתתפו ישירות בלחימה. כתובת לטינית שנמצאה ליד המעיין בביתר מזכירה את הלגיון החמישי מקדוניה והלגיון האחד-עשר קלאודיה. מאחר ששני הלגיונות האלה היו מוצבים בדאקיה זמן קצר לפני מרד בר כוכבא, בתקופת שלטונו של טראיאנוס, נראה כי יחידות משני לגיונות אלה הובאו לעזרה בדיכוי מרד בר כוכבא והוצבו כחיל מצב בביתר, לאחר כיבושה. בנוסף ללגיונות אלו היו גם יחידות עזר לא ידועות.
נפילת ביתר.
לבסוף, לאחר מצור ממושך, פרצו הרומאים לעיר וטבחו בכל מי שנמצא בה.
על נפילת ביתר מספר אוסביוס מקיסריה, כשהוא נסמך על אריסטון איש פחל, סופר נוצרי מהמאה ה-2:
הירונימוס, מציין כי ביתר נכבשה בחודש אוגוסט, בדומה למסורת המוכרת במשנה שביתר נכבשה בתשעה באב.
על פי הירושלמי, נפלה ביתר בעקבות פעולת חתרנית של בוגד. רבי אלעזר המודעי אחד מהתנאים של התקופה, שהיה מנהיגם הרוחני של הנצורים בביתר היה שרוי בצום ובתענית, והיה ידוע כי כל עוד עומדת לנצורים זכותו של רבי אלעזר, הרי שהעיר לא תיפול. כותי (שומרוני) אחד שחדר לעיר בשליחות הרומאים, הצליח להחשיד את רבי אלעזר, בכך שהוא מתכוון למסור את העיר לאויב, ובר כוכבא שהאמין לו, לאחר שחקר את רבי אלעזר, בעט בו והרגו. בשל מעשה זה נפסקה ההגנה האלוהית על העיר, והתאפשר לאדריאנוס לכבשה. על פי המסורת נפלה ביתר ביום תשעה באב המועד לפורענות, הוא היום שבו חרב בית המקדש הראשון ובית המקדש השני.
חוקרים כבר העירו על מוטיב השומרוני המסכסך שחוזר על עצמו באגדות חז"ל, השומרונים שהואשמו בידי ידי חז"ל בגרימת המרד בכך שסכסכו בין אדריאנוס ליהודים, מואשמים גם כאן בהבאת המפלה, בכך שסכסכו בין המנהיג הדתי לבין בר כוכבא.
תיאור ציורי ומזעזע על חורבן ביתר, שגם בו יש מסר של כישלון בשל חטא, מביאים שני התלמודים:
על פי מספר מסורות חז"ל, בר כוכבא עצמו לא מת מידי הרומאים, אלא מת בידי נחש, כעונש מאלוהים, אך גם ביטא את עצמתו, שלא היה אפשר שימות בידי אדם. היה זה בשל יהירותו כלפי שמיים וגאוותו האישית המופרזת. ז'אנר כזה נפוץ בתרבות ההלניסטית והרומית ועשוי להציג תמיכה נוספת להסתייגות החכמים מהמרד וממחוללו. כעונש, מגיני ביתר לא הובאו לקבורה במשך מספר שנים. היהדות מציינת את יום ט"ו באב, כיום בו הרשו הרומאים לקבור את הרוגי ביתר, שלוש שנים לאחר מותם.
בריחת פליטים למערות המפלט.
לאחר נפילת ביתר וסיום המלחמה בסתיו 135, נמלטו פליטים יהודים – בעיקר מפקדי צבא, פקידים ובני משפחותיהם – למערות מפלט, אלו הן מערות טבעיות מחוץ לכפרים ביהודה. הירונימוס מדווח כי "תושבי יהודה היו נתונים בחרדה כה גדולה עד כי הם, יחד עם נשותיהם, ילדיהם, הזהב והכסף שלהם, בהם נתנו מבטחם, נותרו במנהרות תת-קרקעיות ומערות עמוקות". נכון ל-2010, התגלו למעלה משלושים מערות מפלט מתקופת סוף מרד בר כוכבא, חלקן ממוקמות במצוקים התלולים לאורך נחלי מדבר יהודה. מחקרים חדשים מלמדים כי תפוצתן של מערות המפלט, נרחבת בהרבה ממה שהיה ידוע בשנות החמישים והשישים, בעקבות הסקרים והחפירות שנעשו באותה עת בגזרת ים המלח. מאז שנות ה-80 של המאה ה-20, התגלו שרידים משלהי מרד בר-כוכבא הן במערות באזור יריחו, והן בחלקו המערבי העליון של מדבר יהודה, בקרבת יישובי ספר המדבר.
על פי הצעה של חוקרים מהאוניברסיטה העברית יש לחלק תקופה זו לשני שלבים עיקריים, שלב ראשון התקדמות הרומאים באזור, החרבתם של יישובי בקעת ים המלח, השתלטות על נקודות שולטות ועל מערכות הדרכים. בשלב זה ברחו המורדים למערות והתחילו מלחמת גרילה באזור. בשלב השני הידקו הרומאים את כיתור מערות המפלט והוקמה מערכת מצור שכללה סלילת דרכים כמו מעלה האיסיים. מערות נגישות נכבשו בקלות, אך לא כל המערות אותרו. הלגיון שפעל באזור בסוף המרד, היה הלגיון השלישי קירנאיקה. ועל פי השערת החוקרים, המורדים לא הגיעו למערות בסוף המרד אלא בשלב מוקדם יותר, כבר באביב 135.
על האווירה של גודש המתיחות והחרדה הקשה שאחזה בנמלטים מספר התלמוד הבבלי (שבת ס ע"א) כדלקמן:
ייאושם של אלה מקבל אולי תהודה באגדה באיכה רבה, שתרגום מעובד שלה מובא כאן: "יהודים אלה אשר היו מתחבאים [במערות] אכלו את בשרם של אחיהם המתים. מדי יום הסתכן אחד מהם והביא את הגופות אליהם, אותן אכלו. יום אחד אמרו, "ייצא אחד מאיתנו, ואם ימצא משהו – שיביאו ויהיה עלינו לאוכלו". כאשר יצא החוצה, מצא את גופתו של אביו המת, אותה קבר וסימן את הנקודה. הוא חזר ודיווח כי לא מצא דבר. מכיוון שכך, נשלח אדם שני לנסות ולמצוא אוכל. הוא חפר החוצה את הגופה שהוחבאה על ידי הראשון, והביאה אל המחנה. כאשר גילה כי אכל מגופתו של אביו בכה הבן: "אוי לו לאותו האיש, שאכל מבשר אביו".
המבצעים הצבאיים האחרונים התנהלו עדיין במהלך ספטמבר ואוקטובר 135. אולם המרד דוכא סופית רק בשנת 136.
במערות הבר-כוכבאיות התגלו ממצאים שונים בני הזמן הנדון ובהם כלי חרס, כלי זכוכית, כלי אבן, אריגים, כלי נשק, מטבעות כסף וברונזה. הממצאים החשובים ביותר, נמצאו במערת האיגרות, הנחשבת למערת המפלט העשירה ביותר שהתגלתה במדבר יהודה, ובה נחשפו תעודות כתובות על גבי פפירוס אשר חלקם נשלחו מבר כוכבא למפקדי המרד בעין גדי.
תוצאות המרד.
גורל יהודי ארץ ישראל.
קליין מעיר כי אדריאנוס אימץ ביהודה את מדיניות הדיכוי של טראיאנוס, במרד שהתרחש בדקיה (מצפון לדנובה), וגרם לאבדות כבדות לרומאים. טראיאנוס נקט שם באכזריות רבה: המקדשים נהרסו, האליטה חוסלה, רוב התושבים נרצחו, מאלו שנותרו נמכרו רבים לעבדות, ואוכלוסייה זרה הובאה ליישב מחדש את האזור, כך שהדאקים הפכו למיעוט קטן בארצם.
חורבן היישוב.
על גורל המרד נשתמרה בידינו עדותו של ההיסטוריון רומי דיו קסיוס:
את תיאורו של דיו קסיוס, ש"אך מעטים שרדו במרד", מאמצים גם חוקרים מודרניים מסוימים, לפיהם היישוב היהודי "נכחד".
אף על פי שהמספר בו נוקב דיו קסיוס, של 985 כפרים שנהרסו במהלך המלחמה, נראה מוגזם, עדיין תיאורו על חורבן של הארץ נראה אמין. כל הכפרים ששרידיהם נחפרו עד כה באזור יהודה – נהרסו בעקבות מרד בר כוכבא, ועד היום לא נמצא אפילו כפר אחד שלא חרב במרד זה. ממצא זה תומך ברושם כי בעקבות המלחמה ספג האזור חורבן כולל. מקורות היסטוריים מציינים את מספרם הגדול של השבויים שנמכרו לעבדות בפרובינקיה ונשלחו למקומות שונים באימפריה.
במדרש ובתלמוד מצוי תיאור של החורבן במילים קשות ביותר (אם כי לא ברור מה מקור הדברים, והאם הם היסטוריים או אגדתיים. התלמוד הועלה על הכתב לפי השערת החוקרים סביב שנת 600 לספירה, ומדרש איכה חובר לפי השערתם בתקופת הגאונים, המאה ה-7 לספירה):
סחר עבדים.
לפי עדות מכרוניקה, שנכתבה במאה ה-7 לספירה, אך התבססה על מקורות קדומים בני התקופה שאבדו: "שבויים יהודיים נמכרו במחיר מנת מזון אחת של סוס". נתון זה מלמד, לדעת החוקרים, על הצפת שוק העבדים בהמוני עבדים חדשים. לפי הערכה אחת - מספר השבויים שנמכרו לעבדות בעקבות דיכוי המרד עלה בהרבה על 100,000 איש.
גירוש.
הסופר הנוצרי יוסטינוס מרטיר, מתקופת המרד, כותב בחיבורו "דיאלוג עם טריפון היהודי" שחובר שנים ספורות לאחר המרד, כי "היהודים גורשו (או "נושלו") בעקבות תבוסתם במלחמה" וכך גם מתארים אוסביוס והירונימוס.
לדברי אוסביוס:
שינוי שמה של הפרובינקיה.
שמה של פרובינקיית "יהודה" הוחלף לפרובינקיית "סוריה פלשתינה". אף על פי ששינויי שמות מסוג זה התרחשו גם במקומות אחרים, מעולם לפני או אחרי המרד לא נמחק שמה של אומה כתוצאה ממרידה.
נתן שור מעיר כי לגזירה זו השפעה מרחיקת לכת עד ימינו, כאשר התנועות הערביות הפלסטיניות מתבססות עליה. כלומר הגזירה לבטל את השם יהודה מחבל ארץ זה ולהחליפו בשם פלשתינה, מהווה בסיס לתנועות הערביות לטעון שהם הפלסטינים ושייכים לחבל ארץ זה.
גזירות השמד.
בספרות הרבנית מדווח שלאחר המרד, כאמצעי של הענשה והרתעה, הטיל הקיסר אדריאנוס גזירות שמד שאסרו על קיום מצוות. הגמרא כותבת שנאסרו שמירת שבת וטבילה, אכילת מצה, ברית מילה, לימוד תורה ברבים, וקיום בתי מדרש ללימוד תלמידים, סמיכת זקנים, וקיום בתי דין, התכנסות בבתי כנסת, קריאת התורה ומגילת אסתר, אמירת קריאת שמע, תליית מזוזה, תרומות ומעשרות, בניית סוכה, נטילת לולב, הדלקת נרות חנוכה, דיני שמיטה, תקיעה בשופר, הנחת תפילין ולבישת ציצית.