Норманнская сухопутная армия достигла Фессалоник 6 августа 1185 г. и начала осаду с западной стороны города. Флот прибыл 15 августа и высадил на берег войска, которые атаковали восточную стену с большей энергией, чем на западе; и именно на востоке боевые действия в конечном итоге оказались успешными. Норманны бомбардировали город стрелами и камнями из своих огромных катапульт, пока их инженеры вели подрыв восточной стены; им помогали армянские крестьяне, жившие недалеко от города.
Оборонявшийся гарнизон делал все возможное, чтобы выдержать эти атаки. Особенно отличились аланские и грузинские наемники, да и жители Фессалоник, особенно женщины, хорошо сражались. Меткие стрелки со стен осыпали стрелами тех, кто обслуживал катапульты. Началось строительство дополнительной стены позади того места, где шли подрывные работы, но норманны узнали об этом и сосредоточили обстрел на этом месте, чтобы помешать дальнейшему строительству. И хотя многие солдаты гарнизона горели желанием совершать боевые вылазки, Давид Комнин не разрешал им это делать; он аргументировал это тем, что Андроник приказал ему лишь удерживать крепость, и опасался, что гарнизон переметнется к врагу. Когда кто-то из защитников совершил несколько вылазок и угнал у врага скот, Давид категорически приказал им прекратить это.
Тем временем Андроник послал несколько армий в окрестности Фессалоник. Он вверил своему сыну Иоанну командование одной армией в Филиппополе, но принц проводил время праздно и занимался охотой. Так как Андроник опасался других своих полководцев, которые почти все были представителями класса магнатов, он отказался от единого командования армией спасения. Вместо этого командование было разделено между Алексеем Гидосом, великим доместиком Востока, Андроником Палеологом, Мануилом Камицей, Феодором Хумном хартуларием, Алексеем Браной и Никифором паракимоменом. Считая, что Фессалоники должным образом защищены, Андроник приказал этим военачальникам воздерживаться от генерального сражения, а вместо этого наносить максимальный урон врагу. Из всех перечисленных полководцев только Хумн имел мужество выступить против норманнов, но лишь солдаты родом из Фессалоник непременно хотели сразиться с врагом. В этот решающий момент Давид Комнин наконец дал согласие на совершение вылазки из города, но приказал запереть ворота за спинами отряда. Латиняне позднее признали, что это нападение подвергло серьезной опасности их суда и арсенал, но в жестоком сражении на два фронта они отбили войска Хумна и вынудили отряд, совершивший вылазку, вернуться за стены города. Последняя попытка спасти Фессалоники была сделана, когда Иоанн Маврозом севаст прибыл с армией с Пелопоннеса, чтобы и заработать репутацию в глазах Андроника, и спасти город; он вступил в него и дал благоразумный совет, который Давид Комнин отказался принимать во внимание.
Норманны не страдали от нехватки помощи изнутри города. С башни на стене неподалеку от иноземного квартала двое братьев из Иллирии сигналами передавали информацию и подбадривали врага; позднее они присоединились к норманнам, грабившим город. Незадолго до падения города в нем видели Феофана Пробата – грека, который служил проводником норманнской армии из Дураццо в Фессалоники, где он, вероятно, вступил в контакт с недовольными элементами. Германские наемники в гарнизоне были потенциальными изменниками: делегация их лидеров открыто разговаривала с врагами у западных ворот. На заре перед захватом города греческий рыбак случайно повстречал пятерых германцев, ведущих тайный разговор, которые немедленно попытались его убить, очевидно, потому, что сказанное ими могло их скомпрометировать. Слухи о готовящемся предательстве распространились по городу, так что в ночь, предшествующую решающему нападению, измученный гарнизон пал духом и не выставил охранения на восточной стене.
В ночь на 23 августа подготовка к подрыву была закончена. Когда минеры убежали, после того как подожгли за собой подпорки, громовой взрыв сигнализировал об обрушении части стены, уже и так поврежденной камнями с катапульт. На заре 24 августа норманны увидели брешь, которую им удалось проделать. На кучу обломков первым взобрался один из членов команды пирата Сифантоса, который победно размахивал копьем. Немногие византийцы, пытавшиеся обороняться, были сметены. И хотя Давид Комнин однажды похвастался, что мог бы удерживать такую брешь сорок дней стеной оружия, он бежал при первом взгляде на врага и в панике оставил открытыми восточные ворота, через которые в город вошли еще больше норманнов. В своем поспешном бегстве по улицам города к акрополю Давид привлек к себе внимание многочисленных византийцев, которые последовали за ним в надежде укрыться где-то, но, как только он очутился внутри акрополя, он приказал опустить за собой решетку, под которой погибли несколько несчастных; и еще сотни людей погибли, задохнувшись при попытке протиснуться в узкий вход. Давид видел тщетность сопротивления и сдался сам, сдал Маврозома и акрополь норманнам.