宋开庆元年（1259年）二月二日，蒙哥汗率诸军从鸡爪滩渡过渠汇，进至石子山扎营。三日，蒙哥亲督诸军战于钓鱼城下。七日，蒙军攻一字城墙。一字城墙又叫横城墙，其作用在于阻碍城外敌军运动，同时城内守军又可通过外城墙运动至一字城墙拒敌，与 外城墙形成夹角交叉攻击点。钓鱼城的城南、城北各筑有一道一字城墙。九日，蒙军猛攻镇西门，不克。这日，蒙古东道军史天泽率部也到达钓鱼城参战。

三月，蒙军攻东新门、奇胜门及镇西门小堡，均失利。从四月三日起，大雷雨持续了二十天。雨停后，蒙军于西月二十二日重点进攻护国门。二十四日夜，蒙军登上外城， 与守城宋军展开激战。《元史·宪宗纪》称“杀宋兵甚众”，但蒙军的攻势终被宋军打退。五月，蒙军屡攻钓鱼城不克。 蒙哥汗率军入蜀以来，所经沿途各山城寨堡，多因南宋守将投降而轻易得手，尚未碰上一场真正的硬仗。因此，至钓鱼山后，蒙哥欲乘拉槁之势，攻拔其城，虽久屯于坚 城之下，亦不愿弃之而去。尽管蒙军的攻城器具十分精备，奈何钓鱼城地势险峻，致使 其不能发挥作用。钓鱼城守军在主将王坚及副将张珏的协力指挥下，击退了蒙军一次又 一次的进攻。千户董文蔚奉蒙哥汗之命，率所部邓州汉兵攻城，董文蔚激励将士，挟云 梯，冒飞石，履崎岖以登，直抵其城与宋军苦战，但因所部伤亡惨重，被迫退军。其侄 董士元请代叔父董文蔚攻城，率所部锐卒登城，与宋军力战良久，终因后援不继，亦被迫撤还。

钓鱼城久攻不下，蒙哥汗命诸将“议进取之计”。术速忽里认为，顿兵坚城之下是不利的，不如留少量军队困扰之，而以主力沿长江水陆东下，与忽必烈等军会师，一举 灭掉南宋。

然而骄横自负的众将领却主张强攻坚城，反以术速忽里之言为迂。蒙哥汗未采纳术速忽里的建议，决意继续攻城。然而，面对钓鱼坚城，素以机动灵活，凶猛骠悍著称的蒙古骑兵却不能施其能。

六月，蒙古骁将汪德臣（原为金臣属）率兵乘夜攻上外城马军寨，王坚率兵拒战。天将亮时，下起雨来，蒙军攻城云梯又被折断，被迫撤退。蒙军攻城5个月而不能下，汪德臣遂单骑至钓鱼城下，欲招降城中守军，几乎为城中射出的飞石击中，汪德臣因而患疾，不久死于缙云山寺庙中。蒙哥闻知死讯，扼腕叹息，如失左右手。汪德臣之死，给蒙哥汗精神上以很大打击，钓鱼城久攻不下，使蒙哥汗不胜其忿。

蒙军大举攻蜀后，南宋对四川采取了大规模的救援行动，但增援钓鱼城的宋军为蒙军所阻，始终未能进抵钓鱼城下。尽管如此，被围攻达数月之久的钓鱼城依然物资充裕，守军斗志昂扬。一日，南宋守军将重15公斤的鲜鱼两尾及蒸面饼百余张抛给城外蒙军， 并投书蒙军，称即使再守10年，蒙军也无法攻下钓鱼城。相形之下，城外蒙军的境况就很糟了。蒙军久屯于坚城之下，又值酷暑季节，蒙古人本来畏暑恶湿，加以水土不服， 导致军中暑热、疟疠、霍乱等疾病流行，情况相当严重。据《元史》记载，蒙哥汗于六月也患上了病，而拉施特《史集》更明确说是得了痢疫。另《马可波罗游记》和明万历 《合州志》等书则称蒙哥汗是负了伤。无论如何，蒙哥汗不能再坚持攻城了。七月，蒙军自钓鱼城撤退，行至金剑山温汤峡（今重庆北温泉），蒙哥汗逝世。据《元史》本传 及元人文集中的碑传、行状等所载，不少随蒙哥汗出征的将领战死于钓鱼城下，由此可以想见钓鱼城之战之酷烈及蒙军损失之严重。