Крестоносцы выехали из Константинополя в конце апреля 1097 года. 6 мая у стен города оказался Готфрид Бульонский и осадил город с севера. Затем подошли Боэмунд Тарентский, его племянник Танкред (они разбили лагерь на востоке Никеи), Роберт Нормандский, Роберт Фландрский и остальные участники похода. Последними 16 мая прибыли провансальцы Раймунда Тулузского и блокировали город с юга. Но полностью окружить Никею не удалось. Крестоносцы могли осуществлять контроль только на дорогах. А на озере беспрепятственно ходили корабли Никеи.
21 мая, через неделю после начала осады, к городу подступили сельджуки. Не зная о прибытии графа Тулузского, они собирались атаковать крестоносцев с юга, но неожиданно столкнулись с провансальскими воинами, на помощь которым вскоре подоспели отряды Роберта Фландрского, Боэмунда Тарентского и Готфрида Бульонского. В завязавшемся бою христиане одержали победу, потеряв убитыми около 3000 воинов, а сарацины оставили на поле боя 4000 убитых. Затем, желая запугать противника, крестоносцы «зарядили метательные машины большим количеством голов убитых врагов и перекинули их в город».
На протяжении нескольких недель крестоносцы неоднократно пытались проломить стены Никеи и взять город. Однако ни один штурм не увенчался успехом, несмотря на то, что при атаках они применяли военные машины — построенные под руководством графа Тулузского баллисты и осадную башню. Осадную башню подвели к Гонату — наиболее уязвимой башне Никеи, которая была повреждена ещё во времена императора Василия II. Крестоносцам удалось сильно накренить её — «вместо вынутых камней они заложили деревянные балки» и подожгли их. Но затем мусульмане, которые со стен забрасывали крестоносцев камнями, сумели разрушить осадную башню, и, развалившись, она погребла под своими обломками всех находившихся внутри воинов.
Осада продолжилась, не принося особых плодов. Христианам по-прежнему не удавалось взять под контроль Асканское озеро, по которому у них на глазах осажденным доставляли припасы. Отрезать Никею со стороны воды удалось лишь после того, как император Алексей Комнин отправил в помощь крестоносцам флот в сопровождении отряда под командованием военачальников Мануила Вутумита и Татикия. Суда привезли на повозках 17 июня, спустили на воду и таким образом перекрыли осажденным доступ к озеру. После этого крестоносцы вновь взялись за оружие и с новыми силами начали атаковать город. Противоборствующие армии забрасывали друг друга градом стрел и камней, крестоносцы пытались пробить стену с помощью тарана.
Тем временем Мануил Вутумит по приказу Алексея Комнина договорился с осажденными о сдаче города и сохранил эту договоренность в секрете от крестоносцев. Император не доверял предводителям похода. Он справедливо подозревал, что им будет сложно удержаться от соблазна нарушить данное ему в Константинополе обещание передавать завоеванные города Византии. 19 июня, когда согласно плану императора, Татикий и Мануил вместе с крестоносцами штурмовали стены Никеи, осажденные неожиданно прекратили сопротивление и сдались, пустив в город отряды Мануила Вутумита — со стороны казалось, что победа была одержана только благодаря усилиям византийской армии.
Узнав, что византийцы заняли город и взяли горожан под защиту императора, крестоносцы пришли в негодование, так как рассчитывали разграбить Никею и пополнить тем самым запасы денег и продовольствия. По приказу Мануила Витумита крестоносцам разрешали посещать Никею группами не более чем из десяти человек. Чтобы смягчить гнев крестоносцев, император одарил их деньгами и дал лошадей, но те все равно остались недовольны и полагали, что добыча могла быть гораздо больше, если бы они захватили Никею сами. Также Мануил настоял, чтобы те из них, кто избежал присяги в Константинополе, поклялись Алексею в верности. Танкред Тарентский долго не принимал эти условия, но в конце концов и он, и Боэмунд были вынуждены принести присягу.
Крестоносцы ушли из Никеи 26 июня 1097 года и направились дальше на юг, к Антиохии. В авангарде шли Боэмунд Тарентский, Танкред, Роберт Нормандский и Роберт Фландрский. Замыкали движение Готфрид Бульонский, Раймунд Тулузский, Балдуин Булонский, Стефан Блуаский и Гуго Вермандуа. Кроме того Алексей Комнин отправил в поход своего представителя Татикия, чтобы тот проследил за соблюдением договора о передаче мусульманских городов Византии.
