هلاکوخان، نماینده ای را نزد خلیفه در بغداد فرستاد و از او خواست که تسلیم شود و خود یا وزیرش به نزد او بیایند، اما معتصم اعتنایی نکرد؛ از این‌رو هلاکوخان دستور به محاصره بغداد داد، مغولان وارد شهر شدند و آن شهر را ویران کردند و بسیاری را کشتند. بالاخره شهر تصرف شد و خلیفه با نزدیکانش ۲۹ بهمن سال۶۳۶ ش. تسلیم شدند. افسانه‌های بسیاری در موردقتل معتصم وجود دارد. مانند اینکه؛ مغولان از کشتن خلفا بیم داشتند، و به همین دلیل او را نمدمال کردند، سپس با  اسبان بر او تاختند تا کشته شد. براساس سفرنامه مارکوپولو، هلاکوخان او را در اتاقی بدون آب و غذا زندانی کرد و او را مجبور به خوردن طلاهایی کرد که انبار کرده بود. براساس دیگر روایات او را در زیر کاشی‌های قصر، زنده دفن کردند.