Хронологія подій спірна. Ще 1238 р. Мунке здійснив розвідку, запропонувавши місту піддатися монголам, але тодішній київський князь, учасник битви на Калці і майбутній мученик за віру, Михайло Всеволодович убив монгольських послів і втік до Угорщини. Імовірно, у вересні 1240 р. до Києва прорвався монгольський корпус, що блокував підходи до міста, поки Субудай та інші полководці громили укріплені лінії Поросся. Справжня облога почалася з підходом до Києва основних сил Бату (можливо, в листопаді 1240 р.). Літописи неоднозначно оцінюють, скільки тривала активна фаза облоги й штурму – в будь-якому разі, основний удар монголів було спрямовано на південні, так звані Лядські ворота (район нинішнього майдану Незалежності), де каменемети зрештою пробили верх стіни. Основною надією киян був знаменитий Ярославів вал – стіни, що сягали 12 метрів заввишки і 20 завширшки, а також рови та надовби перед валом. Укріплення в центрі Києва (давнє «місто Володимира») були не такими потужними, до того ж вони, напевне, були частково розібрані в попередні часи. Зважаючи на малу кількість важкоозброєної дружини, основну масу захисників становили незахищені обладунками ополченці, озброєні списами, сокирами, булавами, луками (під час розкопок Києва і міст Поросся знайдено величезну кількість руських і монгольських стріл), рідше мечами та шаблями. Монголи традиційно мали велику кількість легкої кінноти-лучників, але разом із тим у війську були й загони важкоозброєних дружинників-нукерів. Ключову роль у штурмі міст часто відігравали важкі катапульти («пороки» в літописі), які споруджували перед штурмом, а також набрані в знищених раніше містах і селах полонені – «облоговий натовп» (монг. «хашар»), котрий ішов у перших лавах штурмувальників і зазнавав величезних втрат.

Почався штурм, котрий тривав як мінімум два дні (за іншою версією, 19 листопада монголи взяли «місто Ярослава», а 6 грудня остаточно заволоділи центром княжого Києва, «містом Володимира»). Про відчайдушний опір киян свідчать і літописи, і результати розкопок – бій тривав не лише на стінах, а й на вулицях та в будинках. Останнім місцем спротиву киян стали барикади в частині «міста Володимира» біля Десятинної церкви (була зруйнована чи то через велику кількість тих, хто намагався врятуватися на хорах церкви, чи то через обстріл з каменеметів), а також, можливо, інші кам’яні храми (наприклад, собор Святої Софії, Трьохсвятительська церква тощо).

Переважна частина оборонців та мешканців Києва загинула (це підтверджують моторошні археологічні знахідки братських могил тисяч киян, виявлені ще в XIX ст.), в полон було взято пораненого Дмитра (помилуваний), та, можливо, частину ремісників. 1245 р. місто стояло в руїнах (папський посланець Д. де Плано Карпіні згадує про 200 вцілілих будинків). Падіння Києва, який згодом остаточно втратив своє значення символу єдності Русі після переїзду митрополита Максима 1299 р. до Володимира, стало трагічним символом початку нової, вкрай неоднозначної для Південно-Західної Русі доби залежності від Монгольської імперії. Втрати монголів невідомі, можливо, значні – кілька тисяч осіб, але вони все ж не завадили Бату продовжити успішний для монголів похід проти Галицько-Волинської Русі, Угорщини та Польщі.

Загибель давньої столиці оплакана руськими літописцями, протягом кількох наступних століть мандрівників вражали руїни київських соборів, що нагадували декому з них руїни Трої. Героїчна оборона Києва знайшла своє відображення в публіцистиці, літературі (роман В. Яна «Батий»), мистецтві часів Російської імперії, СРСР, сучасної Росії та України як символ сили російського (або, відповідно, українського) духу (виявом чого стали картини В. Шаталіна, К. Фадєєва, пам’ятний хрест захисникам Києва біля стіни Десятинної церкви, сучасні проекти відбудови самої церкви, жвавий інтерес істориків-реконструкторів тощо).