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.
Они так и поступили — только для того, чтобы оказаться отправленными в загоны и зарезанными как бараны за непрекращение сопротивления. По свидетельству источников, было перебито 800 000 жителей. Ко всем цифрам следует относиться скептически, но монголы, привычные к массовым казням, были вполне способны на бойню таких масштабов. Даже если истинная цифра — одна десятая от этого числа, все равно это была резня с размахом, достойным Третьего Рейха. Неудивительно, что мусульмане и сегодня вспоминают о ней как об одном из величайших преступлений против их народа и религии. Через три дня монголы хлынули в пустой город и почти весь его предали огню. Мечети, святилища, гробницы, дома — все сгорело. Однако несториан пощадили, как и обещал Хулагу. В то время как вокруг них полыхал объятый пламенем Багдад, они со своим патриархом нашли убежище в христианской церкви. После патриарх получил в качестве вознаграждения дворец первого советника и, несомненно, присоединился к другим христианам в торжествах по случаю поразительного краха ислама и своего спасения.