默德二世见强攻不行，就与守军打起了地道战。他让军队照常进攻，以吸引守军的注意力。暗地里却命人在地下挖开一条通道，直达君士坦丁堡城里。但奥斯曼军队这一行动，却被城中守军发现，他们派人用火药将敌军挖至城墙的地道炸毁。
这时，奥斯曼军又有了新式武器的出现，在密集炮火的支援下，几十辆装有轮子的活动堡垒投入了战斗，集中火力攻击圣罗马门。这种活动堡垒，外面裹以三层牛皮，不怕火烧，里面装备有用滑轮操纵升降的攻城云梯。这应该是现代坦克的鼻祖。但即使这样，十几万奥斯曼大军仍然止步于君士坦丁堡城外。穆罕默德二世不得不研究新的对策。
经过研究，穆罕默德二世决定在保持陆上强劲攻势的同时，开辟第二战场，从守军防守薄弱水路――金角湾发起攻击。但金角湾入口处守军防守严密，而且又有铁索拦河封锁，舰队无法通过。于是，穆罕默德二世派人与守卫在加拉塔据点的热亚那人取得联系，施以重金，并保障热亚那人在加拉塔的商业特权作为交换条件，买通了贪婪的热亚那商人。
4月22日，奥斯曼军队在加拉塔登陆，在上面用坚厚的木板铺设了一条通往金角湾的道路，在木板上涂抹了大量的牛、羊油脂，以减少摩擦。然后，将战舰用滑车吊至新修的木板路上，由许多人推、牛拉将舰只拖着向前行走。仅用了一夜时间，神不知鬼不觉地将70艘轻型战舰运至金角湾。奥斯曼军队接着在极短的时间内在金角湾上架起了一座浮桥，并修筑了炮台，控制了整个金角湾，使君士坦丁堡腹背受敌。
金角湾上出现了敌军，君士坦丁十一大吃一惊，马上从城西防御战线抽掉人马，增援防守相对薄弱的北线。奥斯曼军队虽然进驻金角湾，但从此发动的几次对君士坦丁堡的进攻都被杀红了眼的欧洲雇佣军击退。穆罕默德二世不得不酝酿着从两个方向同时发起总攻。
5月27日总决战前夕，穆罕默德二世为鼓舞士气，分三批检阅了他的陆海将士，发表了慷慨激昂的演讲。5月29日拂晓，穆罕默德二世向全军发布了从水、陆两个方面，西、南、北三个方向同时向君士坦丁堡城发起进攻的命令。一时间，万炮齐鸣，火光冲天，炮弹如冰雹般向城池倾泻，数万奥斯曼将士扛着云梯，喊杀震天地冲向君士坦丁堡城下。水路上，马尔马拉海和金角湾内的奥斯曼海军，也向君士坦丁堡海岸发起强有力冲击，尽管遭到守军的顽强抵抗，未能冲向岸边，但却牵制了大量敌军，使他们不敢增援西门。
最为激烈的战斗发生在西线的陆路上，在穆罕默德二世的亲自督战下，加尼沙里军团很快就攻至城下，爬上云梯与守军展开了激烈的白刃战。战斗最激烈的时刻，突然一声震耳欲聋的轰响，圣罗马门以北的一段城墙被奥斯曼工兵炸开。奥斯曼军队如潮水般地从这个缺口涌入城内，千年帝都君士坦丁堡就此陷落。君士坦丁十一见大势已去，忙换下皇帝服装，企图逃跑。但在混战中，被奥斯曼军人杀死。城池虽然陷落，但城中军民并没有屈服，与奥斯曼军队进行了激烈的巷战，就连妇女、儿童也不例外。
士坦丁堡的陷落，标志着有着1000多年历史的第三超级帝国罗马帝国的最后灭亡，穆罕默德二世也因这一功绩被###世界誉为伟大的“征服者”。在攻占君士坦丁堡的4年后，公元1457年6月，穆罕默德二世将奥斯曼帝国首都从埃迪尔内迁往君士坦丁堡，并将其改名为伊斯坦布尔(意思为###的城市)。从此以后，历代奥斯曼帝国苏丹就将这里作为帝国首都，直至奥斯曼帝国灭亡。
灭亡东罗马帝国，只能说是穆罕默德二世大规模对外征服战争的前奏。攻克君士坦丁堡不久，为了使更大规模的对外战争有一个坚强的后方保障，穆罕默德二世率军攻占了位于小亚细亚半岛中南部的一些突厥小公国，使他们不再兴风作浪。