W tym samym czasie po otrzymaniu informacji o udanej wyprawie wydzielonego oddziału siły mongolskie i ruskie rozłożone pod wałami Sandomierza zintensyfikowały działania oblężnicze. Nasilenie walk oblężniczych poprzez nieustanny ostrzał grodu i podgrodzia za pomocą machin miotających oraz burzenie wałów taranami przygotowało udany szturm, który zepchnął obrońców podgrodzia i zgromadzoną w nim ludność do warownego grodu. Po zdobyciu miasta oblegającym wojskom udało się jeszcze wywołać groźny pożar w umocnionym grodzie. Dzielny opór załogi sandomierskiej sprawił, że Mongołowie podjęli próbę negocjacji. Według Kroniki wielkopolskiej i Latopisu Halicko-Wołyńskiego uczestniczący w oblężeniu książęta ruscy jako posłowie doradzali dowódcy załogi grodu Piotrowi z Krępy, żeby w zamian za uzyskaną od Mongołów obietnicę bezpiecznego opuszczenia Sandomierza wydali gród. Obrońcy, mając perspektywę głodu i epidemii spowodowaną nadmiarem ludności cywilnej oraz widmo śmierci z rąk oblegających, postanowili przyjąć warunki Burundaja. 2 lutego 1260 roku poddali Sandomierz, jednakże Mongołowie zerwali warunki rozejmu. Opuszczająca warownię ludność została poddana selekcji, młodych wzięto w jasyr, pozostałych wymordowano, zaś sam gród złupiono i puszczono z dymem.