最先发动进攻的是蒙古大军。二、三月间，蒙古大军对钓鱼城周围各城堡发动了连续猛攻，希望打通前往钓鱼城核心城池的道路，遭到宋军的顽强抵抗。激烈的攻防战很快就成为胶着战。四月三日开始，川东连降二十天大雨。二十二日天刚一放晴，蒙古军队就偷袭城南的护国门，没有得逞。第二天深夜，蒙古人攻破城北出奇门至嘉陵江一侧的一字城，进入了钓鱼城的外城。王坚亲自带人上前迎战。当天夜里，钓鱼城的敢死队突袭了蒙古军营，将蒙古军队赶出了外城。进入五月以后，四川炎热的夏季到来了，北方来的蒙古军队水土不服，爆发了疾病。到此为止，蒙古大军已经在钓鱼城下四个月了，毫无进展，军队的士气开始消沉。而四个月的战斗却使钓鱼城的军民斗志高昂。宋军还利用夜幕掩护，经常开城突击，骚扰蒙军。蒙古人极不适应这样的作战方法，一到晚上都规规矩矩的，不敢越雷池一步。
钓鱼城久攻不下，蒙哥烦躁起来，召集部下商议下一步战略。将领术速忽里认为蒙古骑兵不适应攻打严防死守的险要山城，现在大军滞留钓鱼城，对蒙古整体战略布局非常不利。他建议蒙哥只留少量军队围困钓鱼城，主力沿长江东下，水陆并进到湖北与忽必烈会师，按照原定计划灭掉南宋。这是一个扬长避短，发挥蒙古军队灵活机动、凶猛彪悍特点灭亡南宋的正确意见。可惜，术速忽里的意见遭到了蒙哥和其他将领的断然否决。长期的胜利在蒙古军队中形成了骄横自负的气氛，术速忽里被看做是迂腐懦弱的人。最后，会议达成了继续攻城的意见。
蒙古军队会议加强进攻，昼夜不休。一天夜里，大将汪德臣还攻上外城马军寨，似乎成功在望。天将亮时，天空突然下起雨来，蒙军攻城的云梯又被折断，军队被迫撤退。汪德臣很不甘心，单人骑马徘徊在钓鱼城下，一边查探城池情况，一边也想招降守军。南宋官兵没有放过这个机会，对着汪德臣就是一顿弓箭和大炮。汪德臣被突如其来的炮石击中，身负重伤，死在了缙云山寺庙中。
汪德臣是蒙哥最为倚重的金朝降将，也是蒙古大军的先锋。他的死给蒙哥造成了很大的心理打击。蒙哥扼腕痛惜，看着久攻不下的钓鱼城焦躁不安起来。
钓鱼城差不多被围了半年了，可南宋守军斗志昂扬。蒙哥就是想不通，城内的十几万人是怎么获得给养和军需的。直到有一天，南宋守军故意将重15公斤的两尾鲜鱼、上百张蒸面饼和一封书信抛出城外。蒙军捡到，交给蒙哥。信中说钓鱼城数年前就开始囤积物资，准备战争了，现在城内物资充裕，即使再守10年也不会让蒙军攻下城池。蒙哥这才恍然大悟，心情也更糟糕了。与南宋的守军相比，城外蒙古官兵的情况很糟糕。战争拖延得很久，蒙古人本来就对炎热湿润的气候不适应，六七月的川东偏偏是酷暑时节，因此蒙古官兵不仅士气低落，而且军中暑热、疟疠、霍139 乱等疾病流行。蒙古大军已经成为了一支“疲军”。
七月二十七日，蒙哥突然暴毙城下。
蒙哥的死是历史上的一个悬案。《元史》的说法是蒙哥因为水土不服，早在六月就患上了病，拖到七月才死的。南宋的官方说法和《合州志》等资料则说蒙哥是被守军打死的：七月，心急的蒙哥赤膊上阵，亲自带人到城下进攻。王坚率军用猛烈的炮火反击。蒙哥在作战中负伤，熬到二十七日死在军中。接受第二种说法的人很多。后来，马可.波罗来元朝游历的时候，还从元朝的朝野上下听到有关蒙哥被钓鱼城守军打死的传闻。第三种说法是在第二种说法的基础有所变化。据说，蒙哥负伤后，率领军队撤退。撤退途中，蒙哥死在金剑山温汤峡（今重庆北温泉）。不管怎么样，蒙哥死于钓鱼城战役是无疑的，人们争议的是蒙古具体的死因：
