Римляне, собиравшиеся взять Карфаген без боя, оказались не готовы к немедленному началу осады. Пока они запасали продовольствие, пунийцы успели подготовиться к обороне. Манилий атаковал город по узкому перешейку, соединявшему Карфаген с материком. Ценсорин с суши и с моря пытался подступиться к слабо укрепленному углу крепости. Однако легионы встретили сильное сопротивление, а в тыл им ударила армия Гасдрубала. Его подчиненный Гамилькар Фамея напал на римлян, занимавшихся заготовкой леса для осадных машин, и уничтожил около 500 человек. Осажденные отбили два приступа. После этого Манилий отказался от атак через перешеек. Вместо этого римляне засыпали болото, располагавшееся между песчаной косой и Карфагеном, и придвинули к стенам города два больших тарана, с помощью которых сделали пролом. Но карфагеняне оттеснили римлян и ночью сожгли оба тарана. В римском лагере из-за болотных испарений начались болезни, и они вынуждены были отступить к берегу моря.
Между тем пунийцы, используя в качестве брандеров небольшие парусные лодки, груженные хворостом и паклей, сожгли почти весь неприятельский флот. Ценсорин осенью 149 года отбыл в Рим, и руководство осадой перешло к Манилию. Он решил, что надо сначала разбить армию Гасдрубала в Ливии. Здесь пунийцы истребляли римских фуражиров и сильно затрудняли снабжение войск, находившихся под стенами Карфагена. У Нефериса Гасдрубал нанес Манилию поражение, и тот отступил обратно к Карфагену.
После ряда неудач римляне вынуждены были призвать на помощь нумидийцев, без которых сначала думали обойтись. Командование римской армии перешло к новому консулу Луцию Кальпурнию Писону Цесонию. Летом 148 года он безуспешно осаждал город Гиппон Диарит и, потеряв все осадные орудия, вернулся в лагерь под стенами Утики. Карфагенянам удалось восстановить свой контроль над Ливией, опираясь на помощь местных племен.
Сенат выражал крайнее неудовольствие затяжкой войны. Консулом на 147 год был избран Публий Корнелий Сципион Эмилиан, считавшийся талантливым полководцем. Он отказался от ведения боевых действий в Ливии и сосредоточил все силы для осады Карфагена. Сюда же подошла и армия Гасдрубала.
Сначала Эмилиан решил овладеть карфагенским пригородом Мегарой. Римляне ворвались туда в результате ночной атаки, но не смогли удержать Мегару и отступили в свой лагерь. Во время рейда в Мегару римляне убивали не только мужчин-воинов, но и женщин, и детей. В ответ на эту вылазку Гасдрубал предал мучительной казни пленных легионеров. Им отрубали конечности и половые органы, выкалывали глаза, а затем умирающих сбрасывали со стен. Вскоре Эмилиан оттеснил полевую карфагенскую армию за пределы городских стен и теперь мог не опасаться внезапных нападений с тыла. Затем римляне перекопали перешеек двумя рвами, создав здесь новый лагерь. Против Карфагена была возведена каменная стена. Посреди лагеря была воздвигнута каменная башня, а на ней еще одна башня, четырехугольная, деревянная, с которой просматривался весь Карфаген. Пунийцы прорыли новый канал, соединивший город с морем. Весь пунийский флот, состоявший из 50 триер и нескольких десятков мелких судов, напал на значительно более мощный римский флот в отчаянной попытке прорвать блокаду. Большинство карфагенских судов погибло. Римляне тоже понесли потери, но для них этот урон был менее ощутим.
После нескольких неудачных попыток римляне овладели насыпью, с которой могли угрожать карфагенским гаваням. На насыпи была построена стена вровень со стенами Карфагена.
Весной 146 года римляне штурмом овладели карфагенской гаванью Котона, где легионеры разграбили храм бога огня Решефа. Пока они не поделили между собой 1000 золотых талантов, находившихся в нем, все попытки командиров заставить их продолжать сражение были бесполезны. Затем римляне смогли ворваться в главный городской район – крепость Бирсу. Каждое здание здесь приходилось брать с боем. В пожарах и под обломками обрушивающихся зданий гибли женщины, старики и дети. Защитники города капитулировали. Из-за его стен вышли 30 тысяч мужчин и 25 тысяч женщин. Все они были обращены в рабство.