蒙帅塔察儿与宋军积极配合，两国军士在城外砍伐树木，制造攻城的器械。
随后，蒙宋联军便开始攻城，持续多日之后，蔡州城内断粮的消息被孟珙知道了，孟珙料定金军必以死相搏，便下令严阵以待，防其突围。
蒙古元帅塔察儿遣大将张柔率五千精锐奋力攻城，蔡州金军箭如雨下，张柔差点被射死，多亏孟珙率领宋军拼死相救，张柔方才脱险。与此同时，金哀宗也亲自劳军，命人为士兵煮粥，"人有被创者，驻马近视，敷药，军民感泣"。月，孟珙率军逼近柴楼潭 ，指挥宋军争夺柴楼潭。宋军与蒙军先后凿开大堤，摆脱了大水的阻隔。十二月初九，蔡州外城被蒙军攻破。丧心病狂的金军孤注一掷，驱赶老弱孩童入大锅熬成热油，号"人油炮"，从城上往下浇烫宋，蒙士兵，场景惨不忍睹。
接着，蒙古军攻破西城，因为完颜忽斜虎早在城内筑栅浚壕，蒙古军不能前进。忽斜虎挑选精锐抵御，蒙古军始终不能入城。
金哀宗深知自己已经无力回天，但仍抱有一线希望，十二月二十四，哀宗趁夜带人突围，却被蒙宋联军所设的鹿角栅所阻挡，退了回来。孟珙与蒙军在城外大搞心理战。
