Sau khi đánh bại Hashshashin, Húc Liệt Ngột gửi tin cho Al-Musta'sim, yêu cầu chấp thuận yêu sách do Mông Kha áp đặt. Al-Musta'sim từ chối, phần lớn là do tác động của người cố vấn và đại tể tướng là Ibn al-Alkami. Các sử gia quy những động cơ khác nhau khiến al-Alkami phản đối quy phục, bao gồm phản bội[23] và thiếu năng lực,[24] và có vẻ là ông nói dối với Khalip về mức độ nghiêm trọng của cuộc xâm lăng, quả quyết với Al-Musta'sim rằng nếu thủ đô của đế quốc gặp nguy hiểm trước một đội quân Mông Cổ, thế giới Hồi giáo sẽ lao đến cứu viện.[24]

Al-Musta'sim hồi đáp các yêu cầu của Húc Liệt Ngột theo cách thức mà khiến cho Tư lệnh người Mông Cổ cảm thấy sự hăm dọa và xúc phạm đủ để ngừng tiếp tục thương lượng,[25] song ông từ chối tập hợp quân đội để hỗ trợ lực lượng hiện hữu tại Baghdad, cũng không gia cố tường thành. Đến ngày 11 tháng 1, quân Mông Cổ đến khu vực lân cận thành,[24] đóng hai bên bờ sông Tigris nhằm tạo thành một gọng kìm quanh thành phố, và Al-Musta'sim cuối cùng quyết định đối đầu với quân Mông Cổ, phái một đạo quân gồm 20.000 kị binh đi tấn công. Đội kị binh chịu thất bại quyết định trước quân Mông Cổ, các công trình sư của Mông Cổ phá đê dọc sông Tigris và làm ngập khu vực ở phía sau quân Abbas, đánh bẫy họ.[24]

Ngày 29 tháng 1, quân Mông Cổ bắt đầu bao vây Baghdad, xây dựng một hàng rào chấn song và một hào quanh thành phố. Người Mông Cổ sử dụng các dụng cụ công thành và máy lăng đá, nỗ lực chọc thủng tường thành, và đến ngày 5 tháng 2 thì họ chiếm được một bộ phận quan trọng của thành lũy. Nhận thấy rằng quân của mình ít có cơ hội tái chiếm tường thành, Al-Musta'sim nỗ lực khai thông thương lượng với Húc Liệt Ngột, song bị cự tuyệt. Khoảng 3.000 quý tộc Baghdad cũng nỗ lực thương lượng với Húc Liệt Ngột song họ bị tàn sát.[26] Năm ngày sau đó, tức 10 tháng 2, thành Baghdad đầu hàng, song người Mông Cổ không vào thành cho đến ngày 13, bắt đầu một tuần tàn sát và tàn phá.