金国集结了两万骑兵前来阻击，意图阻止宋蒙联军的进攻。孟珙却率军鼓噪前进，一举击溃了前来阻击的金军，并追杀金军到了高黄坡，斩杀了一千二百金兵。十一月初五，宋军进驻蔡州城南，孟珙进入蒙古军营，与蒙古军主帅塔察儿相会。塔察儿对孟珙消灭武仙的事迹，大加赞扬，拉着他一起打猎、喝酒，最后两 人干脆结拜为兄弟。
金国尚书右丞完颜忽斜虎以国家厚恩、君臣大义激励全城军民，誓死固守。塔察儿派遣部将张柔率领精兵五千，攀梯登上城墙。城上的金国守将，用长矛去刺，又接连射箭。张柔身上中了数箭，形势非常危急。孟珙得知之后，急忙派遣先锋大将去增援，得以把张柔救了出来。
一天，金军忽然打开东门出战，想杀出重围。孟珙出兵断了他们的退路，擒拿偏裨将校八十余名，其余的金国将士大多被淹死在汝河里。孟珙断定蔡州城内已经断了粮，于是告诫宋军道：“各军应当尽死守住阵地，严防金军突围。" 宋军经过殊死战斗，进逼蔡州城南的外围立栅。
接着孟珙进攻柴潭，他立栅于潭上，并且命令部将夺取柴潭楼。金军急忙来防御，结果宋军一拥而上，金军无法拦阻，只好倒退。柴潭楼即由宋军占住，俘敌五百余人。蔡州倚仗柴潭水为固，城上楼架设有巨型弩炮，宋军将士不敢近前。汝河潭高出河身五六丈，孟珙就对部众说道：“金军全仗此水，如果决堤注河，城濠肯定会立刻干涸。”
孟珙于是身先士卒开挖柴潭堤，放潭水入汝河，用薪柴填平潭池，宋军顺利过潭攻城。与此同时，蒙古军也决开了蔡州城西的练江，逼近城下。柴潭和练江是蔡州城墙外的天然屏障，守城的金军为夺回天险，驱赶城中老弱孩童人，用大锅熬成热油，以此为武器，往城下浇烫宋蒙的士兵。
金国统帅孛朮鲁、中娄室两人率领精锐五百，夜里出了西门，每人背一束藁，藁上浇油，想烧毁两军营寨。蒙古兵早已察觉，于是埋伏起来，用强弩连射。金军一点火，羽箭已先到，金兵自己伤亡惨重，只好退回。蒙宋两军又合力攻打西城，士卒前仆后继，很快攻陷。只是里面还有内城，忽斜虎率兵抵御，日夜不敢懈怠。
金主完颜守绪自知不能支撑，哭着对侍臣道：“我为金紫十年，太子十年，人主十年，自认为没有什么过恶，死了也没有什么可遗憾的。所恨的是祖宗传祚百年，到我而绝。我与古来荒暴的君主，同为亡国，未免痛心。但是国君死社稷，也是正义。朕决不会受辱虏廷，为奴为仆。”他的左右宰相听了，一起恸哭。
完颜守绪于是取出御用器皿，分赏给战士，并杀了厩马来犒军。无奈事势已去，无法挽回。这时金国的徐州又投降了蒙古，行省右丞相完颜赛不殉难。转瞬间已是端平元年，金国已经撑到了极限。宋蒙联
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军发起攻城，遭到顽强抵抗。蒙古军在西城的外城凿了五个大洞，军队蜂拥进入内外城墙之间的开阔地，直到晚上竟没有进展，只好撤出城外。在南门的宋军战斗多时，也没能登城。
蔡州城内，金国的军队此时早已人困马乏，粮绝援穷。孟珙见黑气压城，天日无光，因此又命诸军分运云梯，密布于城下。完颜守绪听说攻打更急，于是召来东面元帅完颜承麟，谕令传位给他。完颜承麟泣拜不敢接受，完颜守绪说道：“朕实不得已的计策，朕身体肥重，不便骑马冲突。你平时敏捷，又有材略。如果侥幸脱围，保存一线宗祚，我死也安心了。”完颜承麟这才起身受玺。
次日，完颜承麟即位为帝，百官列班称贺。大礼刚完，外面就有人来报道：“宋军已经进入南城。”完颜忽斜虎急忙出去准备巷战。但见宋军鼓噪而来，蒙古兵也跟随在后。他回顾自己手下不过一千人，就算能以一当十，也是众寡不敌。到了此时，他也无可奈何，只得拚了命与他厮杀。奋斗多时，他的部下伤亡将尽。
完颜忽斜虎已存死志，只是想见金主一面，方才殉国。