此时，钓鱼城中的守军只有一万多人，主将叫王坚。王坚是河南邓州人，久经沙场，忠勇双全。蒙军使者到来后，出言恐吓，气焰嚣张。王坚大怒，召集军民，当众将蒙军使者斩首，并慷慨激昂地动员城中军民，誓与城池共存亡。
蒙哥见劝降不成，只得下令强攻。但钓鱼城太过险峻，兵力施展不开，蒙军连续攻打镇西门、东新门、奇胜门等处，均不能奏效。在此期间，南宋派来援兵，却被蒙军击退。南宋皇帝宋理宗对钓鱼城颁发嘉奖令，更加激励了守城军民的斗志。蒙军连续攻城数月，没有丝毫进展，白白丢下一大片尸体。
四月份以后，进入雨季，大雨如注，连下二十多天，江水暴涨，蒙军攻城更加困难。到了七月，南方进入酷暑季节，蒙古兵怕热，水土不服，导致疾病流行，粮草供应也出现了问题。蒙军对此一筹莫展，遇到了前所未有的困难。
钓鱼城内，依然粮草充足，军民士气旺盛。有一天，城中抛下大鱼和面饼，并投书说，钓鱼城准备充分，坚不可破，再守十年也不成问题，这里就是蒙军的葬身之地。惹得蒙哥大怒，暴跳如雷，发誓非要拿下钓鱼城不可。
钓鱼城久攻不下，蒙军死伤惨重，不少将士心生畏惧，军心开始动摇。有的将领建议，从钓鱼城撤兵，与忽必烈率领的军队会合，从其他方向攻击宋朝。可是，这样就打乱了蒙哥的作战部署，再加上蒙哥好面子，所以他坚决不肯撤兵。
蒙哥有些疯狂了，他亲自到钓鱼城下督战，不计伤亡，强令士兵攻城，并要求将领带头冲锋。结果，前锋元帅汪德臣被箭射死，一批将领阵亡，士兵伤亡无数。在激战中，蒙哥也丧命于钓鱼城下，时年五十一岁。
蒙哥之死，许多史书说他是中箭而死，或者被飞石击死，也有史书说他是染病而死。蒙哥死前留下遗言，日后攻破钓鱼城，要屠尽城中之人，鸡犬不留。不过，后来蒙军依然不能攻破钓鱼城，钓鱼城在抗蒙战争中坚守了三十六年之久，始终屹立不倒。
蒙哥死后，攻击钓鱼城的蒙军撤兵而走，护送蒙哥灵柩北还。忽必烈带领的蒙军，正在围攻鄂州，听说蒙哥死亡，赶紧撤兵，回去抢夺汗位。从大理北上的兀良合台军队，已经到达长沙，闻知蒙哥死讯，也不得不渡江北返。
大蒙古国第二次大规模伐宋战争，又一次遭遇失败，而且蒙古大汗也死在了战场上。
蒙哥与窝阔台一样，也是雄心勃勃，他在攻打南宋的同时，也派兵进行第三次西征。