孟珙看到士兵有點兒害怕，就對他們道：“柴樓潭並非天造地設，金人所恃，隻有潭內的水，如果把水放掉，就成一個空潭了。”於是宋軍鑿開大堤，放柴樓潭水流入汝水，孟珙又命人用薪葦填實空潭，從潭上行軍攻城。
蒙軍同時也決開了練水，兩軍皆擺脫了大水阻隔。
十二月初九，蔡州外城被蒙軍攻破。喪心病狂的金軍孤注一擲，驅趕城中老弱孩童入大鍋熬成熱油，號“人油炮”，從城上往下澆燙宋、蒙士兵，場景慘不忍睹，孟珙實不忍見，遣使者前去勸止，但金軍卻置若罔聞。
十二月十九，蒙古軍攻破西城，因為完顏忽斜虎先在城內築柵浚濠，蒙古軍不能前進。忽斜虎選精銳抵禦，蒙古軍始終不能入城。
金哀宗深知大勢已去，對侍臣歎息道：“我為金紫光祿大夫十年，當太子十年，當皇帝十年，自知沒有什麼大的過錯，死無恨矣。所恨祖宗傳國百餘年，至我而絕，與自古荒淫暴君同為亡國之主，這一點讓我耿耿於懷……自古以來，沒有不亡之國，亡國之君往往為人辱囚，或被綁縛獻俘，或跪於殿庭受辱，或關閉於空房。我絕對不會到這個地步！眾愛卿你們看著，朕誌決矣！”
十二月二十四，哀宗帶人趁夜出東城突圍，被蒙宋軍所設的鹿角戰柵所阻擋，退了回來。孟珙與蒙軍在城外大搞心理戰，他們大開盛宴，軍士們歡呼豪飲，守城金軍聞見肉香，幾乎發瘋。有投降者從城上縋城而下，告知宋軍說城內絕糧已經三個月，能吃的都已經吃盡，鞍靴甲革包括軍鼓鼓皮都煮熟吃掉了，“聽說城中百姓已經吃人肉了”，守城金軍的糧食是“人畜骨和芹泥”。為了補充軍糧，金軍常常斬殺敗軍，“然後割其肉以食之”。蔡州城內，變成一個活地獄。
1234年正月初一，蒙古軍在城外會飲鼓吹。金軍自被圍困以來，減員厲害，哀宗命自己的隨從分守四城，各級官吏都出供軍役，已經全民皆兵了。
正月初九，蒙古軍在西城鑿通五個門，整軍入城，完顏忽斜虎督軍巷戰，直到傍晚，蒙古軍漸退。
正月初九夜裏，金哀宗召集百官，傳位給東麵元帥完顏承麟。承麟力辭，哀宗道：“我身體太肥胖了，不便於鞍馬奔馳。愛卿平日敏捷有膽略，萬一得免，能保我大金國祚不絕，就了卻我的心願了。”完顏承麟不得已，繼皇帝位。
與此同時孟珙率軍在南門和“今字樓”之間一字排開，樹起了無數雲梯，並命令將士以擊鼓為號，一起攻城。夜深了，漆黑一片，伸手不見五指，戰前的寂靜使人悶得發慌。突然，萬鼓齊鳴，殺聲震天，宋軍士兵馬義首先爬上雲梯，登上州城，趙榮緊接著也登上城頭。不久，成千上萬的宋軍登上城牆，與金軍展開了殊死的肉搏戰。宋軍戰士奮勇拚殺，所向披靡，在宋軍的強大攻勢下，金將烏古論鎬和二百多士卒向宋軍繳械投降。此時城內金朝百官正向新繼位的完顏承麟祝賀，登基的大典剛剛結束，金國新主正準備率師迎敵，而南城的城頭卻已飄揚起了南宋的大旗。
一會兒，鼓聲大震，殺聲四起，守城的金兵聞聲棄逃，四門大開，孟珙召集江海部及那顏的軍隊共同進城。金將忽斜虎率精兵一千抵禦宋蒙聯軍，且戰且退，金哀宗見無路可逃，慌忙取出寶玉放到幽蘭軒，用草掩蓋起來，並命令貼身隨從道：“我死後，用火燒掉我的屍體。”說完金哀宗自縊而亡。
金末帝完顏承麟得知金哀宗死訊，竟還能“率群臣入哭，諡曰哀宗”，並對大家道：“先帝在位十年，勤儉經營，寬仁待人，為了恢複昔日輝煌，勵精圖治，鴻鵠之誌，未得實現，真是可悲。”“哭奠未畢，城潰”，金末帝淚眼未幹，已被亂兵殺死。這位完顏承麟登上皇帝位，總計隻有幾個小時的時間，便成了刀下之鬼。
蔡州城破後，孟珙在廢墟中找到金哀宗遺骨，帶回臨安。南宋舉國上下一片歡騰，眾大臣毫不猶豫地將這“刷會稽之恥，複齊襄之仇”的功勞算在了自己頭上。不過話又說回來了，這也並非毫無道理，首先突破蔡州城防的也確是宋軍。
理宗將金哀宗的遺骨奉於太廟，以此告慰徽、欽二帝在天之靈，南宋舉國都沉浸在報仇雪恨的狂喜之中。自北宋被金朝滅亡的一個世紀以來，回到故都汴京、恢複中原成為南宋臣民夢寐以求的理想。宗澤、嶽飛的抗金活動和開禧北伐等都是對這種夢想的實踐。但麵對強大的金朝，回到故都看起來是一個遙不可及的目標，金朝的滅亡，使理宗君臣似乎看到了把理想變為現實的絕好機會。