一字城墙可以阻碍城外蒙古骑兵的运动作战，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。如此设计让蒙古骑兵优势尽丧，顿于城下不得进。
三月，蒙古增兵围攻，从东西两面分别进攻东新门、镇西门与奇胜门。
虽然蒙军“凡攻城之具无不精备”，奈何钓鱼城地势险峻，“炮矢不可及也，梯冲不可接也”，宋军在钓鱼城中屯聚了万余精兵，一十七万口民众，在守将王坚与副将张钰的指挥下将蒙军一次一次的击退。
四月，巴蜀春雨连绵二十日，蒙军于四月二十二日从南部峭壁直扑护国门，并于二十四日夜登上钓鱼城外城，与守城宋军展开激战，却再次被宋军赶下城楼。蒙军的攻势直到五月仍然不见起色，战事依旧胶着，蒙古悍将竟然无法越过雷池半步。
蒙古攻城从寒冬正月直至盛夏六月，钓鱼城依旧牢不可破。不耐酷暑的蒙古军队在巴蜀的潮热天气下战斗力锐减，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。
旧金降将之子汪德臣至城下劝降，被宋军飞矢击中，死于军中，大将军中横死，蒙军士气亦大损。相较之下，钓鱼城内依然物资充裕，守军斗志昂扬。
蒙古军队自冬季正月开始，攻城五月不破。蒙哥大汗亲自督战，据《合州志》卷一《钓鱼城记》记载，蒙哥在阵前“为炮风所震，因成疾”，《马可·波罗游记》记为因腿膝中箭伤而死。而《元史》、《史集》则说蒙哥患上了痢疾之类的重病。
对此史家虽然众说纷纭，但蒙哥汗的伤病必然标志着此次蒙军钓鱼城之战的彻底失败。当年七月，蒙军自钓鱼城撤退，至金剑山温汤峡(今重庆北温泉)，蒙哥汗逝世。号称上帝之鞭的蒙古大军在此钓鱼城下，鞭折人亡，仓皇而逃。南宋军民赢得了这场无与伦比的史诗级战争。
蒙哥汗之死，震动了蒙古帝国广袤疆土的每一个角落。钓鱼城之战不仅拯救了南宋，还对当时的西亚与欧洲战局产生了重要的影响。
忽必烈本来已经率军跨越长江天险，兵围鄂州（湖北武昌），蒙古大将兀良合台率军从广西直插湖南岳阳一带，两军一旦会师，荆襄便非复南宋所有。然而，蒙哥死讯传来后，留守漠北的阿里不哥意图在哈拉和林继承汗位，忽必烈被迫率军回师漠北参与汗位争夺之中。
至此，蒙古全面攻宋战争第二阶段（1251-1259）宣告结束，南宋国祚得以延续二十余载。
从全球角度来看，当时受命西征非洲的旭烈兀本来已经占领波斯、两河流域乃至叙利亚地区，并意图越过戈兰高地，饮马地中海乃至于进入埃及，消灭北非的马穆鲁克政权。但当蒙哥死讯传来之际，旭烈兀被迫返回漠北，只留下副将怯的不花继续西征。
这支偏师最后败于埃及马穆鲁克骑兵之手，也使非洲避免了被征服的命运。
此外，在随后阿里不哥与忽必烈的战争中，钦察汗、窝阔台汗与察合台系都参与了拥立阿里不哥的活动，从而掀起了整个蒙古帝国范围的持久战争，钦察汗国因为参与瓜分东方利益而无暇征伐欧洲，也使欧洲文明得以喘息。
最后，阿里不哥与忽必烈的战争标志着西道诸王与东方忽必烈系的直接碰撞与冲突。从这一角度看，钓鱼城之战间接导致了蒙古帝国的最后分裂，也拯救了世界。
