王堅在餘玠築城的基礎上進一步加固了釣魚城城防：南北面各建一條「一字城」至江邊，憑恃「江險」以拒敵；在江邊修築水師碼頭，佈置戰船數百艘；在城內廣鑿水池深井，控井九十二眼，蓄水養魚，確保城內無斷水之虞；聚漢中巴蜀難民十數萬之眾，練兵屯田。王堅的底氣在於：釣魚城高度雖只有三百多米，但山勢突兀，三面江水環繞，四周峭壁縈迴；而山頂又平曠開闊，方圓四平方千米，據說有良田上千畝，恃墾田積粟之地利。至此，釣魚城防線大功告成。
釣魚城防線有兩大極為突出的特點：其一，累經餘玠與王堅兩代經營，城池形成了「山城加江險」的交叉立體防線，而山地防禦與水軍都是宋軍的比較優勢；其二，釣魚城無缺水斷糧之憂，具備了長期堅守的作戰能力。
這是蒙哥與蒙古鐵騎從未遇見的堅固城防。
蒙哥汗九年（南宋開慶元年，1259年）初，蒙哥親臨釣魚城下。他本想不戰而取，曾遣使節入城招降，誰料王堅拒降也就罷了，還當眾斬殺使者以示死戰之決心。
蒙哥震怒，決意強攻釣魚城。
此次入蜀以來，蒙古人沿途已攻克了數十座山城，它們的堅固險要程度或許與釣魚城差距不大，但最關鍵的是，這些山城的守軍或接戰不利後歸降，或不戰而降，蒙古人並沒有碰上真正意義上的攻堅硬仗。
從二月初到六月，蒙軍圍攻釣魚城五個月而不克。可能是因為蒙哥坐鎮，蒙古人此役各項準備做得極為充分，遠不是指望什麼單靠騎兵拔城，但不管是「凡攻城之具無不精備」，還是調來山地戰專家史天澤及所部，蒙軍還是頓足於堅城之下，反倒被王堅所部夜襲得手了幾次。
事實上，蒙哥也猶豫過，據《元史·憲宗本紀》記載，他曾在軍前召集御前會議問計諸王眾將是否繼續：「酷暑將至，蒙軍是否還應該堅持在四川作戰？」
《元史·來阿八赤傳》記載，爭執不下時，有一名叫術速忽裡的大臣進言，在四川留下五萬人「命宿將守之」，蒙古大軍主力「乘新集之銳，用降人為鄉導，水陸東下」，下三峽，出荊楚，「與鄂州渡江諸軍合勢，如此則東南之事一舉可定」。至於釣魚城，「孤危無援，不降即走矣」。
術速忽裡的戰略說白了就是，不必強攻釣魚城，派偏師繼續牽制，主力從四川順江而下直搗臨安就得了。
術速忽裡的建言，與麥克阿瑟在二戰太平洋戰場的「跳島戰術」（不與日軍逐島爭奪，跳過防守堅固的島嶼）有異曲同工之處。這一戰略未必完全契合蒙宋戰爭的實際狀況，所謂「東南之事一舉可定」的妄語，可能也低估了南宋軍隊特別是水師的戰鬥力，但御前會議上的反對聲音並未從軍事邏輯出發，而是更多基於政治考量，堅持認為「攻城則功在頃刻」。
蒙哥本來就對勞師強攻釣魚城有些動搖了，但大汗親征無功而返將是大蒙古國開國以來頭一遭，在政治上的確難以交代，再加上眾將的慫恿和煽惑，所謂的戰略轉變也就不了了之。還有一種說法認為，忽必烈在兩淮戰場上的進展也給蒙哥造成了競爭壓力，使得蒙哥有進無退。
蒙哥此時當然不知道，他已喪失了最後一次扭轉個人命運的機會。
《元史·郝經傳》記載，在忽必烈的幕府中，有一位大儒叫郝經，他一貫主張不要立即伐宋，應將精力放在「修德布惠，敦族簡賢，綏懷遠人……順時而動，宋不足圖也」，看起來似乎是有點兒迂腐。郝經得知蒙哥在四川「師久無功」，便寫了一篇極有預見性的《東師議》呈送忽必烈，直指蒙哥將四川作為主攻方向是個戰略黑洞，「以有限之力，冒無限之險」，忽必烈應當遣使勸說蒙哥儘快班師，「以全吾力，而圖後舉」；即使大汗不聽，忽必烈也盡了臣弟的義務，「稟命不從，殿下之義盡」。
對於郝經的建議，忽必烈沒有明確表態，更未出面勸諫蒙哥，原因很可能是，忽必烈剛剛僥倖復出，唯恐再次觸怒汗兄。
蒙軍攻蜀時，臨安方面如坐針氈，以傾國之力大舉援蜀。
此時的四川制置使，即所謂的蜀帥，是蜀地世家大族子弟蒲擇之，傳說其先祖為諸葛亮的幕僚蒲元。為牽制蒙軍攻略釣魚城，蒲擇之率軍反攻成都，先勝後敗，幾乎全軍盡沒。
宋廷見蒲擇之不堪大用，也清楚單憑四川本地的宋軍已無力扭轉戰局，便果斷大幅調整了軍事部署。
宋廷任命時任兩淮制置大使的賈似道為援蜀主帥，給了他一堆令人眼花繚亂的官職，全權負責長江中上游各戰區的軍隊、物資統籌與調遣。一個大臣兼任如此之多的職務，有宋一代絕無僅有，可見賈似道的軍政才幹得到了宋理宗和南宋中樞的集體認可，絕非後世渲染的無能之輩。
不過，作為主帥的賈似道並未親赴四川，真正率軍援蜀的是被任命為四川制置副使的呂文德，這可能是兩人定交之始。
呂文德的援蜀方式是率舟師萬艘溯江而上。儘管此前擊敗蒲擇之的蒙軍將領紐璘在長江中佈置了兩道水上防線，以浮橋層層堵截南宋水師，但呂文德的開局極為順利，僅用了半個月左右的時間便衝破堵截，於蒙哥汗九年（南宋開慶元年，1259年）六月初率軍進入重慶。
初戰不利，蒙哥換掉了紐璘，令史天澤主持堵截南宋援軍。在爆發於川江的水戰中，史天澤在蒙哥的親自督戰下，以七十餘艘戰船對抗南宋之三百餘艘，在數量的絕對劣勢下卻三戰三捷，俘獲戰船百餘艘，逼得離釣魚城已近在咫尺的呂文德水師退守重慶，望江興嘆。
史天澤之所以能夠以弱勝強，挫敗在技術與數量上均強於己方的南宋水師，與他在此役中的戰術創新有極大關係。據《元史·史天澤傳》，史天澤「乃分軍為兩翼，跨江注射，親率舟師順流縱擊」。戰史專家李天鳴先生將蒙軍這一新戰術稱作「水陸協同的三面夾擊水戰戰法」，也就是「正面由戰艦攻擊敵方戰艦，左右兩岸的軍隊使用弩炮向敵方射擊，並由騎兵予以掩護，以防宋軍上岸攻擊蒙軍的弩炮步隊」。
呂文德功敗垂成，但也以此役證明了自己的軍事才華，一躍成為南宋軍界一顆冉冉升起的將星。
蒙古人雖力挫南宋援軍，但對於釣魚城仍一籌莫展。
見久攻不下，蒙哥愛將汪德臣頗有些主辱臣死的意思，發狠說：「今乘輿所至，諸城風靡，獨此旅拒，捐軀圖報，正其時也。」
於是，這位名字酷似漢人但實則出自蒙古汪古部的驍將，便親自率兵夜襲釣魚城。雙方相持不下時，汪德臣單騎進逼城下，大呼：「王堅，我來欲活汝一城軍民，宜早降！」話還沒說完，城上飛石擊來，汪德臣負傷退兵。
六月二十一日，汪德臣傷重不治。噩耗傳來，蒙哥「拊髀嘆腕，如失左右手」。
汪德臣傷重時，水土不服、不耐酷暑的蒙古人也遭遇「軍中大疫」。據拉施特《史集》記載，蒙古軍中出現了霍亂，隨軍的畏兀兒醫生束手無策，蒙哥甚至下令「用酒來對付霍亂」。
而此時的釣魚城，雖被圍攻近半年，但飲食充裕，士氣正盛。為湮滅蒙古人速勝之妄念，南宋守軍將兩條各重三十斤的鮮魚和百餘張蒸麵餅丟擲城外，並在麵餅中夾上紙條，上面戲謔寫道：「爾北兵可烹鮮食餅，再守十年，亦不可得也。」
可能連宋人也沒想到，釣魚城保衛戰很快便戛然而止。
七月二十一日，五十歲的蒙古大汗蒙哥駕崩。
關於蒙哥之死，數百年來，傳說、謠言、史實互相纏繞，已難有定論。
最主流的說法有兩種。
其一是染疫說。據《元史·憲宗本紀》，自六月起，蒙哥即染病「不豫」，但《元史》也並未明確點出「不豫」與暴死的關係。最早提出染疫說的權威信源可能是拉施特的《史集》，認為當時正值盛夏，蒙古軍中盛行瘧疾，蒙哥亦染上，以致重病身亡。此外，拉施特還暗示蒙哥的病情惡化與其堅持飲酒有關。在《續資治通鑑》中，清人畢沅也持染疫說。
其二是擊斃說。據萬曆《合州志》所引無名氏所著《釣魚城記》，蒙哥為了解釣魚城內蓄水情況，親自登上瞭望樓遠眺，「為炮風所震，因成疾」。所謂炮風，可能指蒙哥直接被石彈碎塊擊中，也可能只是石彈的餘波，但還有一種微小的可能性是石彈中混雜有火藥。
除了炮風說，中箭說也流傳甚廣。南宋大詩人劉克莊有《蜀捷》一詩，內有「撻覽果殲強弩下」一句，這至少說明中箭說為當時南宋文化精英所認可。據說釣魚城舊址的石碑碑文中，還發現刻有蒙哥「中飛矢而死」的字樣；《馬可波羅行紀》中細節更多，稱蒙哥是因腿膝中箭，傷重而死。
還有一種較離奇的說法，記載在小亞美尼亞國王海屯一世赴蒙古的《海屯行紀》中，作者表示蒙哥的戰船被宋軍潛水者鑿穿船底，蒙哥落水而死。
最不靠譜的一種說法來自南宋內部。蒙哥汗九年（南宋開慶元年，1259年）二月底，蒙哥剛開始率軍圍攻釣魚城，臨安方面就收到一個來自前線的「特大喜訊」：蒙哥被南宋降將楊大淵用匕首刺殺，蒙古軍隊全線潰退，四川失地已收復，河南與山東的蒙古官員紛紛歸順。得此捷報，南宋君臣額手稱慶，歡欣鼓舞，即刻傳送公文通報各大戰區。時任廣南制置大使的李曾伯還在奏申中向宋理宗賀喜，以前秦苻堅和金國完顏亮敗亡為例，稱「此非人力，實天亡此胡也」，中華正朔，運在東南，皇天眷佑。
這個「捷報」自然荒誕不經，蒙哥並未遇刺，降將楊大淵也繼續為蒙古效力，「捷報」乃宋理宗君臣南柯一夢而已。
蒙古人更願意宣告大汗染疫而死，似乎在儘可能地迴避任何易引發「敗亡」的聯想，這有損大汗的軍威與尊嚴；而宋人更願意相信敵酋是戰死，儘可能地將蒙哥之死與宋軍的大捷勾連起來。一種死亡，各自解釋而已。
據以上引過的《釣魚城記》，蒙哥曾留下遺言：
我之嬰疾，為此城也，不諱之後，若克此城，當赭城剖赤而盡誅之。
這則遺言恐怕也未必可靠，多半也是為了交叉論證蒙哥死於宋軍「炮風」。當然，即使蒙哥是間接死於釣魚城，也夠得上屠城了。無論如何，蒙哥駕崩後，蒙古大軍隨即便從釣魚城退兵，主力北撤，也無從證明屠城一說了。但據《馬可波羅行紀》，蒙古人北撤時，沿途殺掉了兩萬多宋人。
釣魚城之戰，可能為南宋續命至少十餘年。在萬曆《合州志》中，合州籍明人鄒智有恰到好處的後見之明：
向使無釣魚城，則無蜀久矣。無蜀，則無江南久矣。宋之宗社，豈待崖山而後亡哉。
但釣魚城英雄王堅並未得到宋廷善待。據《宋史·王安節傳》，景定元年（1260年），王堅為賈似道所忌，被調離四川，於景定五年（1264年）鬱郁而死，獲諡「忠壯」。合州軍民聽聞王堅身故，立廟祀之，並建碑記其功，「堅以魚臺一柱支半壁」迄今猶存。
釣魚城之戰的最大意義並不在於重挫了蒙軍，而在於間接（或直接）造成了蒙哥之死。如若蒙哥不死，以當時蒙古人壓倒性的軍事優勢，即使釣魚城短期內拿不下來，順江而下直取江南，也只是時間問題。
不過，蒙哥之死不僅僅是蒙宋戰爭範疇內的大事件，也是蒙古帝國的轉折點，就全球而言，也是當時最重大的地緣政治事件。
而受影響最大的人，恐怕就是身在鄂州前線的大汗親弟忽必烈了。