В ноябре монгольская армия, оставив в тылу свои семьи и стада, начала двухмесячное наступление на находящийся в нескольких сотнях километров Багдад. Она шла тремя колоннами. Одна, под командованием Байджу-нойона, ветерана нападения на Багдад в 1238 году, подходила с севера, переправившись через реку Тигр близ Мосула, в 325 км вверх по реке. Второй командовал один из лучших полководцев армии, Китбуга-нойон, который был не монголом, а найманом — членом одного из племен, разбитых Чингисом 50 лет назад. Его группа, самая южная, наступала строго на запад из современного Луристана в Иране, в то время как в центре выступал сам Хулагу. Спускаясь с иранских нагорий вдоль реки Альванд, Хулагу приказал расчетам катапульт собрать в качестве боеприпасов целые кибитки камней, так как монголы знали, что вокруг Багдада никаких камней нет. Сопротивления наступающим почти не оказывали. Войска мусульман, стоявшие на равнине близ Бакубы, примерно в 60 км к северо-востоку от Багдада, постигла катастрофа, когда монголы открыли оросительные каналы, выгнали их из затопляемой низменности, а потом двинулись в атаку на вязнущих в грязи пехотинцев, перебив 12 тысяч, когда они попытались бежать от илистых вод. Три колонны встретились у Ктесифона, в 30 км к югу от Багдада на Тигре, нацеливаясь взять более новый восточный район города с дворцом Аббасидов, училищем права и стенами 150-летней давности, а затем занять два моста, переброшенные через реку на понтонах.
К 22 января 1258 года Багдад был окружен. Учитывая, что выше по течению Тигр заблокирован понтонами, а ниже по течению — туменом всадников, бегство стало невозможным; одного сановника, который попытался сбежать с небольшим флотом вниз по реке, вынудил повернуть назад град камней, горящей сырой нефти и стрел, пробивших борта трех его лодок и убивших многих из его свиты. Штурм начался через неделю. Камни, выпущенные из монгольских катапульт, вышибали куски стен, заваливая их подножье щебнем. Желая устроить себе более удобные наблюдательные пункты, монголы под прикрытием лучников собрали эти обломки и построили вышки, на которые подняли катапульты, дабы лучше целиться по зданиям за стенами. Среди постоянного града стрел, вынуждавшего жителей прятаться в укрытия, огромные камни проламывали крыши, а горшки с горящей нефтью поджигали дома. К 3 февраля монгольские войска захватили восточные стены.
А в самом Багдаде панический страх превратил халифа в дрожащее желе. Как язвительно выражается Джувейни, «истина и ошибка оставались сокрыты от него». Он попытался отправить послов договориться о мире. Сперва он прислал своего визиря вместе с городским католикосом, духовным лидером местных христиан, в надежде повлиять на Хулагу через его жену-несторианку — кераитскую принцессу Докуз-хатун, родственницу его матери-несторианки Соргахтани. Докуз-хатун славилась как своей мудростью, так и решительной защитой своей веры, внешним признаком которой являлась возимая ею с собой повсюду юрта-церковь. Хулагу, глядя на свою могущественную, устраивающую браки мать, питал здоровое уважение к жене и ее вере. Поэтому когда она заступилась за багдадских христиан, он прислушался. В посланиях, заброшенных в город стрелами, Хулагу пообещал, что всем кади — ученым и религиозным лидерам, включая несториан, ничего не угрожает, если они прекратят сопротивление.
С просьбой о мире пришло второе посольство, а затем и третье. Хулагу проигнорировал оба. Визирь халифа доложил об отсутствии какой-либо надежды, уведомив своего повелителя, что его «поспешно собранный сброд столь же бесполезен, как подергивания забитого животного». При таких обстоятельствах ему следует капитулировать. «Смириться и унизиться будет разумным». Визирь советовал сдаться, отдать монголам сокровища, так как именно за ними они и явились, а потом договориться о браке, «дабы империя и религия слились, дабы владычество и величие халифата и могущество стали одним целым».
Халиф колебался, а в это время боевой дух в городе стремительно падал. Тысячи людей хлынули из города, надеясь на пощаду, но поскольку никакой официальной капитуляции не объявляли, их всех убили. Оглядев уцелевших, попрятавшихся по норам и щелям, халиф увидел, что у него нет никаких шансов. 10 февраля он во главе свиты из 300 сановников и родственников явился в лагерь Хулагу сдаваться. Хулагу вежливо приветствовал халифа и велел ему приказать всем жителям разоружиться и выйти из города.