王坚在余玠筑城的基础上进一步加固了钓鱼城城防：南北面各建一条“一字城”至江边，凭恃“江险”以拒敌；在江边修筑水师码头，布置战船数百艘；在城内广凿水池深井，控井九十二眼，蓄水养鱼，确保城内无断水之虞；聚汉中巴蜀难民十数万之众，练兵屯田。王坚的底气在于：钓鱼城高度虽只有三百多米，但山势突兀，三面江水环绕，四周峭壁萦回；而山顶又平旷开阔，方圆四平方千米，据说有良田上千亩，恃垦田积粟之地利。至此，钓鱼城防线大功告成。
钓鱼城防线有两大极为突出的特点：其一，累经余玠与王坚两代经营，城池形成了“山城加江险”的交叉立体防线，而山地防御与水军都是宋军的比较优势；其二，钓鱼城无缺水断粮之忧，具备了长期坚守的作战能力。
这是蒙哥与蒙古铁骑从未遇见的坚固城防。
蒙哥汗九年（南宋开庆元年，1259年）初，蒙哥亲临钓鱼城下。他本想不战而取，曾遣使节入城招降，谁料王坚拒降也就罢了，还当众斩杀使者以示死战之决心。
蒙哥震怒，决意强攻钓鱼城。
此次入蜀以来，蒙古人沿途已攻克了数十座山城，它们的坚固险要程度或许与钓鱼城差距不大，但最关键的是，这些山城的守军或接战不利后归降，或不战而降，蒙古人并没有碰上真正意义上的攻坚硬仗。
从二月初到六月，蒙军围攻钓鱼城五个月而不克。可能是因为蒙哥坐镇，蒙古人此役各项准备做得极为充分，远不是指望什么单靠骑兵拔城，但不管是“凡攻城之具无不精备”，还是调来山地战专家史天泽及所部，蒙军还是顿足于坚城之下，反倒被王坚所部夜袭得手了几次。
事实上，蒙哥也犹豫过，据《元史·宪宗本纪》记载，他曾在军前召集御前会议问计诸王众将是否继续：“酷暑将至，蒙军是否还应该坚持在四川作战？”
《元史·来阿八赤传》记载，争执不下时，有一名叫术速忽里的大臣进言，在四川留下五万人“命宿将守之”，蒙古大军主力“乘新集之锐，用降人为乡导，水陆东下”，下三峡，出荆楚，“与鄂州渡江诸军合势，如此则东南之事一举可定”。至于钓鱼城，“孤危无援，不降即走矣”。
术速忽里的战略说白了就是，不必强攻钓鱼城，派偏师继续牵制，主力从四川顺江而下直捣临安就得了。
术速忽里的建言，与麦克阿瑟在二战太平洋战场的“跳岛战术”（不与日军逐岛争夺，跳过防守坚固的岛屿）有异曲同工之处。这一战略未必完全契合蒙宋战争的实际状况，所谓“东南之事一举可定”的妄语，可能也低估了南宋军队特别是水师的战斗力，但御前会议上的反对声音并未从军事逻辑出发，而是更多基于政治考量，坚持认为“攻城则功在顷刻”。
蒙哥本来就对劳师强攻钓鱼城有些动摇了，但大汗亲征无功而返将是大蒙古国开国以来头一遭，在政治上的确难以交代，再加上众将的怂恿和煽惑，所谓的战略转变也就不了了之。还有一种说法认为，忽必烈在两淮战场上的进展也给蒙哥造成了竞争压力，使得蒙哥有进无退。
蒙哥此时当然不知道，他已丧失了最后一次扭转个人命运的机会。
《元史·郝经传》记载，在忽必烈的幕府中，有一位大儒叫郝经，他一贯主张不要立即伐宋，应将精力放在“修德布惠，敦族简贤，绥怀远人……顺时而动，宋不足图也”，看起来似乎是有点儿迂腐。郝经得知蒙哥在四川“师久无功”，便写了一篇极有预见性的《东师议》呈送忽必烈，直指蒙哥将四川作为主攻方向是个战略黑洞，“以有限之力，冒无限之险”，忽必烈应当遣使劝说蒙哥尽快班师，“以全吾力，而图后举”；即使大汗不听，忽必烈也尽了臣弟的义务，“禀命不从，殿下之义尽”。
对于郝经的建议，忽必烈没有明确表态，更未出面劝谏蒙哥，原因很可能是，忽必烈刚刚侥幸复出，唯恐再次触怒汗兄。
蒙军攻蜀时，临安方面如坐针毡，以倾国之力大举援蜀。
此时的四川制置使，即所谓的蜀帅，是蜀地世家大族子弟蒲择之，传说其先祖为诸葛亮的幕僚蒲元。为牵制蒙军攻略钓鱼城，蒲择之率军反攻成都，先胜后败，几乎全军尽没。
宋廷见蒲择之不堪大用，也清楚单凭四川本地的宋军已无力扭转战局，便果断大幅调整了军事部署。
宋廷任命时任两淮制置大使的贾似道为援蜀主帅，给了他一堆令人眼花缭乱的官职，全权负责长江中上游各战区的军队、物资统筹与调遣。一个大臣兼任如此之多的职务，有宋一代绝无仅有，可见贾似道的军政才干得到了宋理宗和南宋中枢的集体认可，绝非后世渲染的无能之辈。
不过，作为主帅的贾似道并未亲赴四川，真正率军援蜀的是被任命为四川制置副使的吕文德，这可能是两人定交之始。
吕文德的援蜀方式是率舟师万艘溯江而上。尽管此前击败蒲择之的蒙军将领纽璘在长江中布置了两道水上防线，以浮桥层层堵截南宋水师，但吕文德的开局极为顺利，仅用了半个月左右的时间便冲破堵截，于蒙哥汗九年（南宋开庆元年，1259年）六月初率军进入重庆。
初战不利，蒙哥换掉了纽璘，令史天泽主持堵截南宋援军。在爆发于川江的水战中，史天泽在蒙哥的亲自督战下，以七十余艘战船对抗南宋之三百余艘，在数量的绝对劣势下却三战三捷，俘获战船百余艘，逼得离钓鱼城已近在咫尺的吕文德水师退守重庆，望江兴叹。
史天泽之所以能够以弱胜强，挫败在技术与数量上均强于己方的南宋水师，与他在此役中的战术创新有极大关系。据《元史·史天泽传》，史天泽“乃分军为两翼，跨江注射，亲率舟师顺流纵击”。战史专家李天鸣先生将蒙军这一新战术称作“水陆协同的三面夹击水战战法”，也就是“正面由战舰攻击敌方战舰，左右两岸的军队使用弩炮向敌方射击，并由骑兵予以掩护，以防宋军上岸攻击蒙军的弩炮步队”。
吕文德功败垂成，但也以此役证明了自己的军事才华，一跃成为南宋军界一颗冉冉升起的将星。
蒙古人虽力挫南宋援军，但对于钓鱼城仍一筹莫展。
见久攻不下，蒙哥爱将汪德臣颇有些主辱臣死的意思，发狠说：“今乘舆所至，诸城风靡，独此旅拒，捐躯图报，正其时也。”
于是，这位名字酷似汉人但实则出自蒙古汪古部的骁将，便亲自率兵夜袭钓鱼城。双方相持不下时，汪德臣单骑进逼城下，大呼：“王坚，我来欲活汝一城军民，宜早降！”话还没说完，城上飞石击来，汪德臣负伤退兵。
六月二十一日，汪德臣伤重不治。噩耗传来，蒙哥“拊髀叹腕，如失左右手”。
汪德臣伤重时，水土不服、不耐酷暑的蒙古人也遭遇“军中大疫”。据拉施特《史集》记载，蒙古军中出现了霍乱，随军的畏兀儿医生束手无策，蒙哥甚至下令“用酒来对付霍乱”。
而此时的钓鱼城，虽被围攻近半年，但饮食充裕，士气正盛。为湮灭蒙古人速胜之妄念，南宋守军将两条各重三十斤的鲜鱼和百余张蒸面饼抛出城外，并在面饼中夹上纸条，上面戏谑写道：“尔北兵可烹鲜食饼，再守十年，亦不可得也。”
可能连宋人也没想到，钓鱼城保卫战很快便戛然而止。
七月二十一日，五十岁的蒙古大汗蒙哥驾崩。
关于蒙哥之死，数百年来，传说、谣言、史实互相缠绕，已难有定论。
最主流的说法有两种。
其一是染疫说。据《元史·宪宗本纪》，自六月起，蒙哥即染病“不豫”，但《元史》也并未明确点出“不豫”与暴死的关系。最早提出染疫说的权威信源可能是拉施特的《史集》，认为当时正值盛夏，蒙古军中盛行疟疾，蒙哥亦染上，以致重病身亡。此外，拉施特还暗示蒙哥的病情恶化与其坚持饮酒有关。在《续资治通鉴》中，清人毕沅也持染疫说。
其二是击毙说。据万历《合州志》所引无名氏所著《钓鱼城记》，蒙哥为了解钓鱼城内蓄水情况，亲自登上瞭望楼远眺，“为炮风所震，因成疾”。所谓炮风，可能指蒙哥直接被石弹碎块击中，也可能只是石弹的余波，但还有一种微小的可能性是石弹中混杂有火药。
除了炮风说，中箭说也流传甚广。南宋大诗人刘克庄有《蜀捷》一诗，内有“挞览果歼强弩下”一句，这至少说明中箭说为当时南宋文化精英所认可。据说钓鱼城旧址的石碑碑文中，还发现刻有蒙哥“中飞矢而死”的字样；《马可波罗行纪》中细节更多，称蒙哥是因腿膝中箭，伤重而死。
还有一种较离奇的说法，记载在小亚美尼亚国王海屯一世赴蒙古的《海屯行纪》中，作者表示蒙哥的战船被宋军潜水者凿穿船底，蒙哥落水而死。
最不靠谱的一种说法来自南宋内部。蒙哥汗九年（南宋开庆元年，1259年）二月底，蒙哥刚开始率军围攻钓鱼城，临安方面就收到一个来自前线的“特大喜讯”：蒙哥被南宋降将杨大渊用匕首刺杀，蒙古军队全线溃退，四川失地已收复，河南与山东的蒙古官员纷纷归顺。得此捷报，南宋君臣额手称庆，欢欣鼓舞，即刻发送公文通报各大战区。时任广南制置大使的李曾伯还在奏申中向宋理宗贺喜，以前秦苻坚和金国完颜亮败亡为例，称“此非人力，实天亡此胡也”，中华正朔，运在东南，皇天眷佑。
这个“捷报”自然荒诞不经，蒙哥并未遇刺，降将杨大渊也继续为蒙古效力，“捷报”乃宋理宗君臣南柯一梦而已。
蒙古人更愿意宣告大汗染疫而死，似乎在尽可能地回避任何易引发“败亡”的联想，这有损大汗的军威与尊严；而宋人更愿意相信敌酋是战死，尽可能地将蒙哥之死与宋军的大捷勾连起来。一种死亡，各自解释而已。
据以上引过的《钓鱼城记》，蒙哥曾留下遗言：
我之婴疾，为此城也，不讳之后，若克此城，当赭城剖赤而尽诛之。
这则遗言恐怕也未必可靠，多半也是为了交叉论证蒙哥死于宋军“炮风”。当然，即使蒙哥是间接死于钓鱼城，也够得上屠城了。无论如何，蒙哥驾崩后，蒙古大军随即便从钓鱼城退兵，主力北撤，也无从证明屠城一说了。但据《马可波罗行纪》，蒙古人北撤时，沿途杀掉了两万多宋人。
钓鱼城之战，可能为南宋续命至少十余年。在万历《合州志》中，合州籍明人邹智有恰到好处的后见之明：
向使无钓鱼城，则无蜀久矣。无蜀，则无江南久矣。宋之宗社，岂待崖山而后亡哉。
但钓鱼城英雄王坚并未得到宋廷善待。据《宋史·王安节传》，景定元年（1260年），王坚为贾似道所忌，被调离四川，于景定五年（1264年）郁郁而死，获谥“忠壮”。合州军民听闻王坚身故，立庙祀之，并建碑记其功，“坚以鱼台一柱支半壁”迄今犹存。
钓鱼城之战的最大意义并不在于重挫了蒙军，而在于间接（或直接）造成了蒙哥之死。如若蒙哥不死，以当时蒙古人压倒性的军事优势，即使钓鱼城短期内拿不下来，顺江而下直取江南，也只是时间问题。
不过，蒙哥之死不仅仅是蒙宋战争范畴内的大事件，也是蒙古帝国的转折点，就全球而言，也是当时最重大的地缘政治事件。
而受影响最大的人，恐怕就是身在鄂州前线的大汗亲弟忽必烈了。