世率领大军抵达耶路撒冷城外，他起初曾派出使节，希望萨拉丁投降并交出耶路撒冷，但萨拉丁的回信虽然礼貌，却断然拒绝了他的要求。见此情形，理查一世也不再抱有幻想，转而展开对耶路撒冷的有力攻势。
尽管理查一世看似占尽优势，但耶路撒冷城内尚有两万士兵，其中还包括五千名突厥骑兵，加上占据地利，因此萨拉丁尚有反击之力。但理查一世征服埃及后，耶路撒冷的补给线已经被全部切断，庞大军队固然是优势，但同样意味着萨拉丁需要更多的给养以确保军队的战斗力，所以当理查一世的军队来到城外后，主动出击的竟然是萨拉丁。
当十字军来到耶路撒冷城外时，埋伏已久的突厥骑兵立刻杀得他们措手不及，但理查一世很快镇定自若地命令军队以他的王旗为集结点，待突厥骑兵疲惫后再果断带领骑士进行冲锋。最终，由理查一世指挥的多次冲锋成功击退了萨拉丁的第一波攻势，残余的骑兵退回城内，但十字军也付出了一定代价，装备较差的步兵在突厥骑兵的第一波攻势面前损失惨重，理查一世在战况稳定后亲自去慰问受伤的士兵，并让没有受伤的骑士护送伤兵回到较为安全的雅法城内休息。
站稳阵脚后，理查一世立刻下令发动攻城器械对耶路撒冷进行猛攻，但萨拉丁对此显然也早有准备，在城墙上堆积了大量的盾牌以做防御，他们甚至在耶路撒冷城头摆上了十字架。“真十字架还在撒拉森人手里，我们不能犯下渎神的罪恶。”十字军高层忧心忡忡地说，理查一世也有此顾及，因此他下令撤回了攻城器械，转而将军队分成五个部分，分别由他自己、狮子亨利、利奥波德、吕西尼昂兄弟和伊贝林的贝里昂率领，驻扎在雅法门、锡安门、黄金门、花之门和大马士革门进行围攻，如果撒拉森人有任何出击的迹象，负责盯梢的士兵便发出信号，附近的部队立刻驰援，将撒拉森军队按死在城中。
背靠着已经稳固的补给线，十字军在围城期间过得相当滋润，理查一世也有意让他们公开在城内守军的视力范围内大肆展示他们享用的美食，这对饥肠辘辘的守军而言无疑是极大的刺激。因此在半个月后，开始陆陆续续有突厥士兵出城投降，在改信基督教后理查一世也十分慷慨地赠与他们食物与酒水。
按照理查一世的作战计划，耶路撒冷已经是十字军的囊中之物，只是用时长短的问题。但在2月26日，一个不速之客的到来打乱了他的计划。“我是新罗马------第二罗马第一百二十五任大牧首，狄奥多西。”来人道，和伊贝林的贝里昂一起保卫耶路撒冷的希拉克略牧首已经在去年去世了，因此东罗马帝国重新选举了一位牧首，“得知理查国王征服埃及的伟业，巴西琉斯不胜欢喜，因此特意派我带来他的一点心意，以帮助理查国王成功收复耶路撒冷。”
东罗马的巴西琉斯，安杰洛斯家族的伊萨克二世。虽然与理查一世在塞浦路斯岛击败的伊萨克·科穆宁同名，但这位伊萨克二世无论是审时度势还是战略眼光显然都尚可称为一个合格君主：“当无耻的叛徒占据巴西琉斯之位时，他曾经将保护帝国击退阿拉伯人（2）的武器拱手赠送于撒拉森人，而以伊萨克二世陛下的圣明，显然不会做出同样愚蠢的举动。这是一百枚装载了希腊火的容器，只要将其投入耶路撒冷城内，萨拉丁定然不战而降！”
希腊火，一种东罗马帝国不外传的秘密武器，但在伊贝林的贝里昂守卫耶路撒冷时，这种武器曾经出现在撒拉森人军队中。鉴于萨拉丁攻陷耶路撒冷后伊萨克二世曾经写信祝贺，撒拉森军队中希腊火的来源自然不得而知，但现在伊萨克二世的举动，显然是撇清自己与此事的关系，并将希腊火的外泄推锅给了已经去世的科穆宁皇帝。
“这种武器对守城之人会造成严重的威胁。”伊贝林的贝里昂道，作为那场战斗的指挥者，他是最有资格评价这种武器的人，“收下这份礼物吧，不出一个星期，战士们便能如愿进入耶路撒冷。”
哪怕胜利已经板上钉钉，但若以更少的伤亡取胜对将领和士兵都是极大的诱惑，因此理查一世最终收下了这份礼物，再度发起对耶路撒冷的攻势，并且在叛变的突厥士兵的情报下，城内仅有的储存补给的地方也被付之一炬。到了这一步，战争的结局已经彻底注定。
毫无疑问，这是一场极为精彩的围城战，萨拉丁步步为营、稳扎稳打，但理查一世显然技高一筹，而伊萨克二世的援助无疑也是一出极漂亮的锦上添花，令理查一世用更少的伤亡与更短的时间获得了胜利。1192年3月1日，弹尽粮绝的耶路撒冷开城投降，打开城门的人是萨拉丁的弟弟萨法丁。“萨拉丁呢？”理查一世问，他本以为他可以见到这个被他视为一生之敌的对手向他投降的样子。
“请恕我的兄长无法亲自前来迎接您。”萨法丁道，他身旁的翻译立刻用拉丁语重复了他的话。
“怎么可能？”理查一世明显有些愤怒，他用力甩了甩马鞭，“难道萨拉丁连面对失败的勇气都没有吗？”
“我的兄长并没有亲眼见证他的失败。”萨法丁的眼神难掩悲痛，但他仍直视着理查一世，“他无法前来迎接您是因为他已经死了。在得知埃