في تحركه صوب بغداد، لجأ في البداية إلى استقطاب العشائر والأمراء المقيمين على أطراف المناطق الجبلية للعراق بإمدادهم بالمال، كما أخضع الأكراد التابعين لسليمان شاه، ثم أمر بتقدم قوات جرماغون وبايجو من بلاد الروم إلى أربيل والموصل ومحاصرة بغداد من جهة الغرب ثم انتظار زحف قوات هولاكو من جهة الشرق. وأمر عدداً من أمراء المغول بالتوجه صوب بغداد بصحبة سونجاق نويان من طريق كردستان الحالية، وبتوجه كيتو بوقا وعدد من القواد الآخرين من طريق لرستان وخوزستان. وتقدم هو بقواته نحو بغداد في أوائل ذي الحجة 655هـ من طريق كرمانشاه وحلوان. ورافقه في زحفه الأمير أرغون وخواجة نصير الدين الطوسي والوزير سيف الدين بيتكچي وعلاء الدين عطا ملك الجويني. ومرة أخرى أرسل هولاكو رسالة إلى المستعصم من أسد أباد يدعوه فيها للمثول بين يديه فأوفد إليه الخليفة شرف الدين بن الجوزي وأعاد على مسامعه التهديدات السابقة نفسها وطلب منه العودة وتفريق قواته، وبعد أن يفعل ذلك سيرسل إليه الخليفة أي مبلغ سنوي يحدده. ولم يمتثل هولاكو لهذا الأمر واشتم من الرسالة رائحة الانهيار. فعبر كرمانشاه ودخل العراق. وكان كل من سونجاق وبايجو في ذلك الوقت قد وصلا إلى أطراف بغداد، وبعد إلحاق الهزيمة بطلائع جيش الخليفة عبرا بقواتهما نهر دجلة. وكان كيتو بوقا قد تمكن من غزو بلاد لرستان أيضاً ودخل العراق من جهة الجنوب. وعسكر جزء من جيش الخليفة بقيادة مجاهد الدين أيبك الكاتب الثاني في بعقوبا؛ وما إن سمع مجاهد الدين وقواته بعبور قوات سونجاق وبايجو لنهر دجلة ووصولهم إلى الجزء الغربي من بغداد حتى تقهقروا إلى أطراف الانبار ووصلوا إلى مسافة تبعد عن دار الخلافة بتسعة فراسخ. ونشب القتال بينهم وبين قوات سونجاق ولحقت بهم الهزيمة. أما في قتالهم مع قوات بايجو فقد نزلت بهم هزيمة فادحة قتل على أثرها منهم اثنا عشر ألف جندي؛ ولاذ مجاهد الدين وبعض من رفاقه بالفرار إلى بغداد، وضربت قوات سونجاق وبايجو حصاراً حول بغداد من جهة الغرب في 15 محرم 656هـ، وحاصرها كيتو بوقا أيضاً من جهة أخرى. وكان هولاكو قد نزل إلى الجانب الشرقي من عاصمة العباسيين في 11 محرم وحاصرها من الشرق. وبدأ المغول في إمطار بغداد بوابل من الحجارة والنفط والنار. ونظراً لعدم وجود أحجار على أطراف بغداد كـان التتار يجلبونها من جبال حمراوين وجلولا ويجتثون النخيل من جذوره ويرمونها على بغداد. بدأ حصار بغداد يوم الثلاثاء 22 محرم 656هـ واستمر حتى نهاية المحرم. وفي هذه الأثناء أخذ المغول يخربون المدينة شبراً شبراً ويفتحون الأبراج ويتقدمون. وعندما وجد الخليفة أن الأمر يفلت من يده، سعى إلى رد هولاكو عدة مرات عن طريق إرسال الهدايا والرسل، إلا أنه لم يقبل دعوة الخليفة، وأرسل نصير الدين الطوسي إلى المستعصم لاستدعاء سليمان شاه والكاتب، فاضطر الخليفة إلى إرسالهما إليه. فطلب هولاكو منهما الخروج بأتباعهما من بغداد حتى يتمكن من الزحف بهم ضمن قواته على الشام ومصر. وخرجت قوات بغداد وحشد كبير من أهالي المدينة مع الكاتب وسليمان شاه من المدينة التماساً لطريق النجاة وتوجهوا إلى هولاكو. فقتلهم السفاح المغولي عن آخرهم، وبعد عدة أيام قتل الكاتب وسليمان شاه وابنه وأرسل رؤوسهم إلى بدر الدين لؤلؤ في الموصل مع ابن لؤلؤ. ومع أن بدر الدين كان من أصدقاء سليمان شاه، فقد علق رؤوس الثلاثة على أعواد المشانق وهو يبكي خوفاً من هولاكو. خرج الخليفة بأبنائه الثلاثة ومعهم ثلاثة آلاف من سادات بغداد وأئمتها وقضاتها وأعيانها من المدينة في الرابع من صفر 656هـ وتوجه إلى هولاكو. فتظاهر هولاكو باللين معه وأمره بمنع من تبقى من الأهالي في دار الخلافة من الجهاد ضد التتار. فأطاعه الخليفة ووضع الأهالي أسلحتهم. وأخرجهم هولاكو من بغداد بدعوى إحصائهم وقتلهم جميعاً وأمر قواته باجتياح المدينة. وفي التاسع من صفر، دخل بغداد وسلمه المستعصم بيده مفاتيح خزائن ظلت في يد أجداده لمدة خمسة قرون: (حين وصل الخليفة إلى هولاكو أنزل خواصه من الأئمة والأشراف والمشايخ عند بوابة كلواذ ثم أمر بالإغارة على المدينة. ثم أمر باستدعاء الخليفة وأمره بتقديم الهدايا. وعلى الفور قام بتوزيعها على خواصه وأمرائه وقواده والحاضرين، ثم وضع طبقاً من ذهب أمام الخليفة وأمره بأن يأكل. فقال الخليفة لا أستطيع أن أكل. فقال له إذن لم تأخرت ولم تفتح هذه البوابات الحديدية ولماذا لم تأت إلينا على ضفاف جيحون. فأجابه الخليفة بقوله هكذا كان أمر الله فقال له الملك: وما سيسري قضاء الله أيضاً. وأمره بإخراج الحريم وأبنائه ومضى بهم إلى قصر الخليفة. وكان معه سبعمئة من الحريم وألف ومئتي خادم، وقام بتفريق الآخرين. وحين فرغوا من اجتياح المدينة أعطوا أهلها الأمان وجمعوا الغنائم وغادرها الملك في الرابع عشر من صفر» نقلاً عن رسالة كوچك فتح بغداد المنسوبة لنصير الدين الطوسي) وقام المغول في اجتياحهم لبغداد بتخريب المباني والعمارات كأضرحة الخلفاء وضريح الإمام الكاظم وقتلوا كثيراً من الناس. وبعد أسبوع، أمر هولاكو بوقف القتل والغارات. ثم غادر المدينة لسوء جوها في 24 صفر، ثم استدعى المستعصم وقتله هو وابنه الأكبر أبا بكر، ثم قتل ابنه الأوسط بعد عدة أيام، وقتلت قواته كل من صادفوه من بني العباس عدا ابن الخليفة الأصغر مبارك شاه الذي وهبه هولاكو لزوجته فسلمته بدورها إلى نصير الدين الطوسي وزوجوه بامرأة مغولية. وهكذا سقطت دولة بني العباس التي دامت خمسمئة وخمس وعشرين سنة وزالت الخلافة تماماً. ويقال إن عدد ضحايا بغداد بلغ ثمانمائة ألف قتيل. وبعد قتل الخليفة، أرسل هولاكو ابن العلقمي إلى بغداد وزيراً كما كان، وعين قائداً عسكرياً للمدينة وبدأ في إعمار ما تخرب ودفن جثث القتلى. وعاد هولاكو بعد قليل إلى خانقين، إلا أن قواده استولوا على الحلة والكوفة والنجف. ولما أبدى أهالي واسط مقاومة، أقدم المغول على قتل أربعين ألفاً منهم واجتاحوا المدينة ثم اتجهوا إلى شوشتر وغيرها من مدن خوزستان.