Den 29. januar begynte mongholenes beleiring av Bagdad. De bygde en palisade og et dike rundt byen. Med beleiringsmaskiner og katapulter forsøkte mongolene å bryte åpninger i bymurene, og den 5. februar hadde de inntatt en betydelig del av forsvarsverkene. Da han skjønte at hans styrker ikke hadde store sjanser til å gjenvinne forsvarsverkene, forsøkte Al-Musta'sim å åpne forhandlinger med Hulagu, men ble avvist. Rundt 3.000 av Bagdads notabiliteter forsøkte også å forhandle, men ble myrdet. Fem dager etter, den 10. februar, kapitulerte byen. Men mongolene rykket ikke inn i byen før den 13., og innledet da en ukelang massaker og ødeleggelse.