Турки не ожидали такого быстрого появления врага под своими стенами. В городе находился большой гарнизон, но настроение у него было неуверенное: во-первых, враг казался очень сильным, во-вторых, население города оставалось христианским. Турками, кроме гарнизона, был узкий круг придворных султана. Разговоры о сдаче города, однако, прекратились, когда осажденные узнали о приближении Кылыч Арслана с войсками. Из города к султану были отправлены гонцы (одного из которых перехватили крестоносцы), чтобы поторопить султана и сообщить ему, что с южной стороны вход в город свободен. Однако прежде чем приблизился передовой турецкий отряд, 16 мая прибыли Раймунд де Сен-Жиль и Робер Фландрский, разбившие лагери перед южными воротами. После короткой стычки с войсками Раймунда передовой турецкий отряд отступил, чтобы соединиться с армией султана. Когда это произошло, турки начали переговоры, и греческий командующий Вутумит был приглашен в город для обсуждения условий сдачи. Однако в это время пронесся слух о приближении Кылыч Арслана с главными силами, и переговоры были прерваны.
21 мая 1097 г. подошедшая с юга армия султана обрушилась с гор на войска Раймунда Тулузского и Робера Фландрского. Франки приняли турок в копья. Никто из турок не мог остановиться или повернуть назад. Сражение продолжалось целый день. Ни лотарингцы, ни итальянские нормандцы не могли оставить свои позиции у ворот Никеи и прийти на помощь тулузцам. Поняв, что не сможет добиться победы, Кылыч Арслан увел оставшиеся войска и разрешил осажденным поступать отныне, как они сочтут нужным. «Граф Тулузский решительно атаковал их и одержал победу, и они бежали, бросив множество убитых. Но на помощь им пришли другие турки, полные ликования и предчувствия скорой победы, у них были с собой веревки, чтобы увести нас в Хорасан. Радостно они начали спускаться с горы, но по мере того, как они спускались, все больше их гибло на месте, и наши рубили им головы. И с помощью метательных орудий наши рыцари метали отрубленные головы за городские стены, дабы посеять ужас в рядах турок», - рассказывает Аноним.
В сражении погибло несколько тысяч турок, потери понесли также и крестоносцы, был убит крупный вассал графа Фландрского граф Бодуэн Гентский. Здесь впервые в открытом сражении закованные в броню рыцари столкнулись с легкой турецкой конницей, и стало ясно, что последняя не может выдержать их могучего удара. Стремясь максимально использовать победу, граф Раймунд начал штурм города. Ко времени начала штурма рухнула одна из больших угловых башен, подкопанная тулузскими минерами. Однако турки отбили штурм. Последними 3 июня прибыли Этьен де Блуа и Робер Нормандский, и наконец у Никеи собралась вся крестоносная армия.
Озеро давало возможность осажденным получать продовольствие и небольшие подкрепления и даже высылать отряды для уничтожения фуражиров и паломников-одиночек. Крестоносцы обратились за помощью к императору. Упряжки быков протащили легкие греческие суда от Мраморного моря до Аска-нийского озера, перед Никеей появилась греческая флотилия, и кольцо блокады города сомкнулось. «В день, когда суда были доставлены, их не стали сразу же спускать на воду; а когда настала ночь, на борт взошли хорошо вооруженные туркополы [императорские вспомогательные войска из турок, возможно, печенеги]. На рассвете флотилия в боевом порядке вышла на середину озера и направилась к городу. Увидев ее, турки пребывали в недоумении, не понимая, чьи это были войска - турецкие или императорские. Когда они поняли, что это были императорские войска, то, охваченные ужасом, они принялись плакать и стенать, тогда как франки ликовали и славили Бога». Жестокий штурм и падение города стали неотвратимы. Этого боялись турки и не хотел император: латинцы, позабыв про договор, разграбили бы город до основания. В результате турки быстро пришли к соглашению с Вутумитом. Турки обещали впустить в город только императорские войска, а тот - с ведома императора - выдвинул самые легкие условия сдачи.
На 19 июня был назначен общий штурм города. Однако на рассвете того же дня византийские отряды вошли в раскрытые городские ворота, которые закрылись за ними. На башнях Никеи были подняты императорские флаги. Турецкой знати было разрешено выкупиться из плена, а султанша, дочь Чаки, и члены султанской семьи позже без выкупа были отпущены к Кылыч Арслану.