Отряды «черных клобуков» и немногочисленные русские гарнизоны пограничных крепостей не сумели сдержать натиск завоевателей. Укрепленная линия на Роси была прорвана, и монголо-татары, уничтожая все на своем пути, двинулись по правому берегу Днепра на север, к Киеву. В бассейне рек Роси и Россавы были обнаружены остатки 23 домонгольских городищ и селищ; все они были уничтожены во время монголо-татарского нашествия и более не восстанавливались. Один за другим гибли замки-крепости, прикрывавшие столицу: Витечев, Василев, Белгород. В ноябре 1240 г. передовые отряды хана Батыя подошли к стенам Киева.
Древняя столица Руси, расположенная на высоких холмах над Днепром, была хорошо укреплена. Мощный оборонительный пояс вокруг города создавался в течение нескольких столетий, достраивался и совершенствовался. С востока, юга и запада Киев прикрывали наружные валы Ярославова города, достигавшие высоты 12 м. Общая протяженность валов превышала 3,5 км. По оценке советского ученого М. К. Каргера, «валы Ярославова города по своей мощи не имели равных в истории древнерусской фортификации». Над валами высились деревянные стены, усиленные каменными надвратными башнями. Вторым укрепленным рубежом были валы и рвы древнего города Владимира. Наконец, внутри этого города были укрепления вокруг Ярославова двора, которые также могли служить прикрытием для оборонявшихся. Узлами обороны были многочисленные каменные соборы и монастыри, поднимавшиеся над площадями и улицами. Укрепления Киева не раз выдерживали приступы врагов.
Киевляне готовились к обороне. Но, как и многие города Северо-Восточной Руси, Киев мог надеяться только на собственные силы. Несмотря на непосредственную опасность со стороны монголо-татарских завоевателей, в Южной Руси незаметно было никаких попыток князей объединить силы для отпора врагу. Князь Михаил Всеволодович из Киева бежал «от татар в Угры» (в Венгрию). Новый киевский князь Владимир Рюрикович неожиданно умер, а освободившийся киевский «стол» поспешил захватить один из смоленских князей. Однако его вскоре изгнал из Киева более сильный соперник — Даниил Романович Галицкий. Но и он не остался в Киеве, а поручил оборону города своему воеводе — «тысяцкому Дмитру». Большого войска воевода не получил, и вся тяжесть обороны легла на плечи народных масс: ремесленников и торговых людей посада, крестьян окрестных сел.
«Пришел Батый к Киеву в силе тяжкой, — повествовал летописец о начале осады, — многим множеством силы своей и окружил город, и обступила его сила татарская, и был город в обдержании великом. И был Батый у города, и отроки его обсели город, и ничего не было слышно от скрипенья телег его, рева множества верблюдов его и ржания коней его, и была наполнена Русская земля ратными. Взяли же от них (в плен) татарина именем Товрул, и тот поведал о всей силе их: „Се были братья его (Батыя) сильные, воеводы Урдю и Баидар, Бирюи, Кадан, Бечак, Менгу и Кююк, который возвратился, увидав смерть канову (великого хана), и был кааном; не от роду же его (Батыя), но были воеводы его первые Субедяи-богатырь и Бурундаи-богатырь, который взял Болгарскую землю и Суздальскую, и иных без числа воевод“. Поставил Батый пороки к городу, возле ворот Лядских. Пороки, непрерывно бьющие день и ночь, выбили стены, и взошли горожане на остаток стены, и тут было копья ломались, и стрелы омрачили свет, и Дмитрий (тысяцкий) был ранен. Татары взошли на стены и сидели там тот день и ночь. Горожане же построили другой город около (церкви) Богородицы. Утром же пришли на них (татары), и была брань между ними великая…»
Таким образом, в первый день штурма Монголо-татары захватили вал Ярославова города, но были настолько ослаблены упорным сопротивлением киевлян, что не сумели развить успех и остановились на валу. За это время защитники Киева подготовили новую линию обороны, и когда монголо-татары на следующий день продолжили наступление, бой разгорелся с новой силой. Киевляне обороняли каждый дом, каждую улицу.
Последним оплотом оборонявшихся была каменная Десятинная церковь. За ее крепкими стенами собрались уцелевшие горожане. Из узких окошек во врагов летели стрелы. Монголо-татары подвезли к церкви свои пороки. Под их ударами рухнули каменные стены Десятинной церкви, похоронив под развалинами последних героических защитников Киева. Киев пал. Это произошло 6 декабря 1240 г., после девятидневной осады.