十字軍進軍小亞細亞之路充滿著勝利的喜悅和無情的災難、濃重的暴力與人性的衝突。阿萊克修斯在政治不穩定的情況下被迫留在了帝國的中心——帝都，而沒有冒險一同前往遠征，但他還是試圖遠程遙控征戰。這項事業充滿艱險，但在東征的頭一年多時間裡，十字軍卻一直在高歌猛進。
1097年春在基伯托斯會集起來的軍力有數萬人，這是很驚人的。要為這樣一支隊伍提供足夠的補給是極大的挑戰。基伯托斯營地有條不紊的運作給布盧瓦的史蒂芬留下了深刻印象。他在寫給妻子的信中描述了在這裡為十字軍備下的食物和給養的數量是多麼龐大。 其他人也談到了城中商品的豐富，以及這裡有大批向西方人售賣小麥、葡萄酒、橄欖油、乳酪和其他必需品的商人。
如同在巴爾幹半島的情況一樣，這些商品的價格並不是任由市場或者商人的私心決定的。甚至在最早一批西方人抵達基伯托斯的時候，就有一名作者寫道，商品供應不但數量龐大，而且價格在帝國的中央調控下也很穩定了。 給養豐富讓十字軍士氣高昂。這也進一步抬高了皇帝在西方軍隊中的聲望和地位。定期給軍中上下分發錢財同樣讓十字軍中滿是對他的感謝和好印象，也讓集聚完畢的軍隊決心要行進到尼西亞抗敵。 阿萊克修斯基於這股熱情，又承諾說如果尼西亞的突厥人被打敗，該城被攻下，還會分發更多的金銀財寶和馬匹等物。
1097年初夏，十字軍出發前往尼西亞，在5月的時候抵達。他們剛在高聳的城牆外安營紮寨，就試圖強攻該城。這讓阿萊克修斯非常驚訝，因為他很久之前就已經得出結論，這座城無法用武力奪得。 事實上，他之所以向西方尋求軍事幫助，就是因為他自己在11世紀90年代初奪取尼西亞的努力全部失敗。他認為，奪取尼西亞的唯一方式，就是在充足人力的支持下，進行漫長的圍攻。但他的這種設想卻立刻受到了十字軍的挑戰。
騎士們沒有選擇豎起圍界，逐步縮小包圍圈，而是快速評估了一下尼西亞的防衛，然後就直接試圖攻城。他們開始攻擊的時候，有些重要領導人甚至還沒有抵達尼西亞。等諾曼底的羅伯特和布盧瓦的史蒂芬到達時，他們發現進攻已經開始了。
儘管熱情滿滿，十字軍最開始的進攻嘗試卻沒什麼效果。據一名十字軍戰士說，尼西亞由高牆環護，因此城中居民既不懼怕敵人的襲擊，也不畏懼任何機械力量。正如我們已經看到的，這座城鎮地理位置絕佳，得到天然屏障的保護，比如它的西面就有一個相當大的湖泊。 為了突破防禦，騎士們設計並建造了多台投石器。雖然明知無法撼動如此龐大的城牆工事，但它們主要是用於提供掩護，讓工兵們能夠靠近城牆，從下方使力。由圖盧茲的雷蒙指揮的一個分隊很快就瓦解了一個區域的防衛，這讓十字軍上下士氣大振，也讓突厥守軍又驚又懼，只能連夜趕工才修復了白天遭損毀的工事。
儘管一開始就有傷亡，但十字軍還是堅持了他們的策略。一名領頭的騎士——卡爾德倫的鮑德溫（Baldwin of Calderun），在指揮一隊人馬衝擊城門時被護牆上扔下來的石塊砸斷了脖子。還有一些重要人物也受了傷，比如根特的鮑德溫（Baldwin of Ghent），他被城垛射出的一支冷箭射中，造成了一處致命傷。疾病很快也開始大行其道：年輕勇猛的騎士伯塞斯的居伊（Guy of Possesse）就感染了熱病，沒多久便過世了。
尼西亞的守軍與進攻者比起來擁有重要的戰略優勢。高聳的城垛和城牆上視野開闊，能讓他們清楚地看到十字軍在做什麼並相應地做好準備。他們可以很輕易就向下方毫無掩護的人發射炮彈和箭矢，或者投擲重物。而且守衛尼西亞的突厥人資源豐富：可燃的油類、動物油膏和瀝青都被用來對付進入城牆一箭之地的人。 此外，突厥人還知道，十字軍各支隊伍從1096年夏天開始就在基伯托斯集結，因此他們已經提前備下了被長期圍困所需的數月的給養。他們看起來非常自信，不太可能被迫投降，在圍攻開始時，尼西亞總督乞力赤·阿爾斯蘭甚至都不在城中，而是在小亞細亞的其他地方。 與阿萊克修斯一樣，尼西亞的守軍們也覺得靠強攻拿下這座城鎮的可能性微乎其微。
他們殘忍地對待被殺死者的屍骸，以此來表明自己的信心。諾曼底的羅貝爾麾下的一名騎士被分割包圍，然後守軍將其俘虜後殺害，一個由鏈條拴著的有著尖利鐵頭的裝置從城牆上垂下來，把屍體鉤上城垛。隨後屍體被剝光，用索套高高懸掛起來，讓進攻的十字軍都能看到。此舉傳遞的音信很明確：想要奪取尼西亞只是白白浪費人力、時間和精力。
十字軍以牙還牙。一隊前來增援尼西亞守軍的突厥人被十字軍擊敗，所有人遭斬首，其損毀嚴重的首級被穿在長槍尖上，在城外遊行示眾。如安娜·科穆寧娜指出的，這麼做的話，「野蠻人很遠就能看到發生的一切，他們會被這場慘敗嚇到，不再敢於這麼急切地交戰」。
騎士們加大了對該城的攻擊。攻城戰術是11世紀西歐飛速發展的一個軍事領域。義大利南部的諾曼人尤其擅長強攻防守森嚴的城鎮並迅速予以擊破，而不是漫長地圍攻直至守軍被拖到投降。他們在11世紀50年代和11世紀60年代能迅速征服阿普利亞、卡拉布里亞和西西里，在很大程度上要歸功於他們在攻城戰術方面的革新，以及他們在攻打防守穩固的要塞時表現出的靈活機變策略。因此，早在第一批騎士抵達城下時，用作對抗尼西亞城防的攻城機械就已經開始建造了。
十字軍尤其關注城牆的一角。這裡由貢塔納斯塔防護著。但這座塔在一個世紀前的一場叛亂中受損嚴重，塔身已經開始傾斜。遠征軍的領導者們很快就認定，這裡就是城中防衛最薄弱的環節。 圖盧茲的雷蒙針對這座塔主持設計了一個特別的攻城機械：器身為圓形，上面覆蓋厚厚的皮革，可保護內部工作的人員。將這個機械推到城牆邊後，躲藏在下面的工兵就開始用攜帶的鐵制工具挖牆腳，把塔基的石磚挖出來，在空隙里塞進木棒，然後再放火點燃。儘管貢塔納斯塔沒有馬上倒塌，但十字軍的這番舉動還是明顯損壞了城牆，也在尼西亞城中製造了恐慌情緒。
阿萊克修斯試圖利用突厥人開始滋生的焦慮情緒。他坐鎮在佩勒卡諾斯（Pelekanos），在那裡他可以監控和指導進程。對尼西亞進行第一輪攻勢的同一時間，曼努埃爾·伯托米特斯秘密進入城中，試圖通過談判達成和解，他提醒城中居民想想當年皇帝對突厥人表現得多麼慷慨大方，並警告說若十字軍攻破城牆，後果將不堪設想。曼努埃爾還給出了書面的保證，承諾如果他們立即投降，能受到怎樣的優待。
可是突厥人對尼西亞的防衛非常有信心，斷然拒絕了這樣的提議。此外，他們也收到消息說有一支龐大的援軍正在趕來的路上。確實，在攻城的早期，十字軍才是應該憂慮的一方。他們在營地里發現了假裝成基督徒朝聖者的探子，在酷刑之後探子招供說尼西亞的守軍與外面的通信絲毫沒有受影響，而且一支突厥援軍正在趕來。 此外，十字軍還能看到，經由西面的阿斯卡尼亞湖 ，補給正在源源不斷地運入城中。這有力地表明，他們必須速戰速決，想要長期圍攻迫其投降實在很難。
阿萊克修斯很謹慎地控制著行動的進程。他下令將船隻從尼科米底亞灣經陸路運送過來，用以封鎖該湖，另一方面則命令升級對城鎮的攻勢。拜占庭的弓箭手被派遣到離城牆很近的地方，為十字軍提供強力的掩護，讓突厥人沒辦法從城垛上抬起頭來。帝國軍隊還帶著號手和鼓手大造聲勢，給人強攻就要來臨的感覺。同時，一波帝國騎手揮舞著軍旗從遠處趕來，給人的印象是，還有更多的人馬即將前來攻城。
阿萊克修斯的計畫是，呈現出己方具有壓倒性軍事優勢的表象，試圖讓尼西亞按照他提出的條件投降。曼努埃爾·伯托米特斯再次秘密進城，隨身帶了一份皇帝簽署的金璽詔書，講明了投降的條件。這些條件包括大赦令以及慷慨的贈禮，「惠及尼西亞城中所有蠻族，無一例外」。 這一回，皇帝的提議和他的計策說服了城中的突厥人，他們投降了。
這是阿萊克修斯取得的一次重大策略勝利，也證明了他向西方求助的宏大政策是正確的。然而，形勢還是很微妙，需要小心處理。皇帝擔心西方的騎士們不會滿足於議和了事，下令「佯攻」城牆，他的目的是製造這樣一種假象：是拜占庭人突破了防禦，成功奪取了該城，而不是十字軍。
1097年6月19日，西方軍隊在還沒意識到議和交易已經達成的情況下，仍在進攻該城要塞。而拜占庭的戰士們則從臨湖的西面爬上城牆，翻入護城，把帝國旗幟插在了城牆上。伴隨著齊鳴的鼓聲和號聲，拜占庭士兵們站在城池四周的城牆上，宣布皇帝阿萊克修斯一世·科穆寧的軍隊攻佔了尼西亞。
尼西亞陷落的消息在伊斯蘭世界裡掀起了波瀾。一份寫於大馬士革的文獻這樣進行了描