Έχοντας κατακτήσει σχεδόν όλο το νησί, οι Οθωμανοί, με αρχιστράτηγο τον Γαζή Χουσεΐν Πασά, εμφανίστηκαν μπροστά στα τείχη του Χάνδακα, το καλοκαίρι του 1647. Στρατοπέδευσαν δυτικά του φρουρίου, κοντά στον ποταμό Γιόφυρο, και άρχισαν να προετοιμάζουν την πολιορκία της πόλης.
Επικεφαλής των βενετικών δυνάμεων και τελευταίος υπερασπιστής του Μεγάλου Κάστρου ορίστηκε ο αρχιστράτηγος Francesco Morosini. Ο κρητικός πληθυσμός της πόλης, στάθηκε με ηρωισμό και αυτοθυσία στο πλευρό των Βενετών, προασπίζοντας την ελευθερία του.

Από τις πρώτες ενέργειες των πολιορκητών ήταν η διακοπή της υδροδότησης της πόλης μέσω του υδραγωγείου του Morosini, που έφερνε το νερό από τις Αρχάνες. Επιχείρησαν επίσης, να προσεγγίσουν  το φρούριο ανοίγοντας υπόγειες διόδους (mine) και διαδοχικά ορύγματα, παράλληλα με το τμήμα της οχύρωσης που σκόπευαν να επιτεθούν. Τα έργα αυτά εκτελέστηκαν από ειδικευμένους υπονομευτές, κυρίως Αρμένιους χρυσωρύχους. Η μέθοδος δεν απέδωσε άμεσα αποτελέσματα, καθώς η τεχνική εφαρμογή της δεν ήταν ακόμη επαρκώς ανεπτυγμένη. Η τακτική της διάνοιξης mines από τους επιτιθέμενους και contramines από τους αμυνόμενους, σε συνδυασμό με τους ανηλεείς βομβαρδισμούς, θα χαρακτήριζε ολόκληρη τη μακροχρόνια πολιορκία. Το βαρύ πυροβολικό έφτασε τον Μάρτιο του 1648 και τοποθετήθηκε στα υψώματα γύρω από την πόλη. Για τα επόμενα 21 χρόνια, η μοναδική διέξοδος διαφυγής των κατοίκων του Χάνδακα θα ήταν η θάλασσα.

Οι Οθωμανοί επέλεξαν αρχικά να επιτεθούν από τα νότια και νοτιοανατολικά, από την πλευρά των ισχυρότερων προμαχώνων (Vitturi, Ιησού, Martinengo), θεωρώντας –εσφαλμένα– ότι η υψηλή στάθμη του εδάφους έξω από την τάφρο θα τους έδινε πλεονέκτημα.

Η πρώτη σφοδρή επίθεση, τον Ιούνιο του 1648, ενάντια στον προμαχώνα Vitturi, αντιμετωπίστηκε με επιτυχία από τους υπερασπιστές του εξωτερικού οχυρού του Αγίου Δημητρίου. Μετά τις αποτυχημένες προσπάθειες ο Χουσείν υποχώρησε προς τα υψώματα του Μαραθίτη, όπου στρατοπέδευσε μόνιμα.

Οι επιθέσεις επαναλήφθηκαν τον επόμενο χρόνο (1649), από τον Αύγουστο ως τις αρχές Οκτωβρίου, στα ίδια σημεία, στη νοτιοδυτική πλευρά του φρουρίου, από τον προμαχώνα Martinengo ως τον προμαχώνα του Παντοκράτορα, καθώς και στα αντίστοιχα εξωτερικά οχυρά, κυρίως την opera Moceniga, χωρίς καμιά επιτυχία.

Καθώς η πολιορκία προδιαγραφόταν μακροχρόνια, οι Οθωμανοί αναζήτησαν οργανωμένα ορμητήρια και καταφύγια. Με σουλτανικό φιρμάνι, στις 28 Φεβρουαρίου 1649, δόθηκε η εντολή κατασκευής τριών μικρών φρουρίων γύρω από τα τείχη του Χάνδακα: ενός στα ανατολικά, κοντά στο λοιμοκαθαρτήριο, ενός στα νότια και ενός δυτικά του ποταμού Γιόφυρου. Παράλληλα, ξεκίνησε η ανέγερση ενός τέταρτου, σημαντικότερου φρουρίου στα υψώματα της Μπρούσας, στη θέση του σημερινού οικισμού Φορτέτσα, όπου εγκαταστάθηκε το στρατηγείο τους. Το φρούριο ονομάστηκε Enantia ή Νέα Candia ή Inadiye ή Kale-i-Cedit («Νέο Φρούριο»).

Από το 1649 έως το 1666 ο πόλεμος βρισκόταν σε στασιμότητα. Η πόλη παρέμενε αποκλεισμένη και η θαλάσσια πρόσβαση γινόταν ολοένα δυσχερέστερη. Το 1666 η κατάσταση άλλαξε δραματικά. Ο Σουλτάνος είχε ήδη ανακαλέσει και αποκεφαλίσει τον Χουσεΐν, θεωρώντας τον υπαίτιο για την αποτυχία της πολιορκίας. Στη θέση του όρισε αρχιστράτηγο τον Αχμέτ Πασά Κιοπρουλή, έναν άνθρωπο ικανό, φιλόδοξο και σκληρό, ο οποίος έμελλε να αποτελέσει το μοιραίο πρόσωπο για την τύχη της πόλης. Ο Κιοπρουλής οχύρωσε τις θέσεις των πυροβόλων όπλων, μετακίνησε το στρατηγείο του στο φρούριο του Γιόφυρου, το προστάτευσε με τάφρο από τα ανατολικά, κατασκεύασε χυτήριο τηλεβόλων κοντά στην Κνωσό και πυριτιδοποιείο κοντά στη Φορτέτσα, ενώ εξασφάλισε τον ανεφοδιασμό του στρατού μέσω των λιμανιών του Τσούτσουρα, των Ματάλων και της Ιεράπετρας.

Στις 28 Μαΐου 1667 ξεκίνησε νέα επίθεση με τριακόσια κανόνια στο νοτιοδυτικό τμήμα του φρουρίου, από τον προμαχώνα Martinengo έως τον προμαχώνα του Αγίου Ανδρέα. Οι Οθωμανοί κατέστρεψαν το αντιτείχισμα του Παντοκράτορα, κατέλαβαν το εξωτερικό οχυρό και εισχώρησαν στην τάφρο, ασκώντας ασφυκτική πίεση στους υπερασπιστές. Οι επιθέσεις συνεχίστηκαν έως τον Νοέμβριο.

Στις 15 Νοεμβρίου του 1667 ο βενετοκρητικός μηχανικός Andrea Barozzi αυτομόλησε στο οθωμανικό στρατόπεδο και παρείχε στον Κιοπρουλή λεπτομερείς πληροφορίες για την κατασκευή και την κατάσταση του φρουρίου, αποκαλύπτοντας την αδυναμία των δυο επιθαλάσσιων προμαχώνων, Sabbionara και Αγίου Ανδρέα.  Λόγω της θέσης τους, οι προμαχώνες αυτοί δεν ήταν πλήρεις, καθώς διέθεταν μόνο έναν λοβό (orecchione) και χαμηλή πλατεία, ενώ ήταν χαμηλότεροι από τους υπόλοιπους. Το σημαντικότερο όμως ήταν ότι οι Βενετοί δεν μπορούσαν να αποκρούσουν υπονομευτικές επιθέσεις με contramines, καθώς ο μεν προμαχώνας του Αγίου Ανδρέα ήταν χτισμένος σε βραχώδες έδαφος, ο δε της Sabbionara σε αμμώδες. Ο Barozzi υπέδειξε επίσης βελτιώσεις στο σύστημα των παράλληλων ορυγμάτων. Υπό τις οδηγίες του, οι Οθωμανοί αναθεώρησαν την τακτική τους και έστρεψαν τη δύναμη πυρός προς τα δύο βόρεια άκρα του χερσαίου τμήματος της οχύρωσης.

Τον Νοέμβριο του 1667 άρχισε ο κανονιοβολισμός του προμαχώνα του Αγίου Ανδρέα, ενώ από τις 10 Δεκεμβρίου κατασκευάζονταν εξωτερικά οχυρά απέναντι και στους δύο θαλάσσιους προμαχώνες. Οι υπερασπιστές αντιλήφθηκαν την αλλαγή τακτικής, αλλά δεν κατάφεραν να την αντιμετωπίσουν.

Στις 11 Ιουνίου 1668 εξαπολύθηκε νέα επίθεση στους προμαχώνες Sabbionara και Αγίου Ανδρέα, δημιουργώντας σοβαρά ρήγματα. Τον Ιανουάριο του 1669 η κατάσταση ήταν πλέον τραγική. Ο προμαχώνας του Αγίου Ανδρέα και η πρώτη γραμμή άμυνας είχαν καταληφθεί και οι πολιορκημένοι είχαν υποχωρήσει στη δεύτερη γραμμή. Στον προμαχώνα Sabbionara, στη θέση της σημαίας του Αγίου Μάρκου, κυμάτιζε ο διπλός πέλεκυς, σύμβολο του τάγματος των Γενιτσάρων. Τα επτά τάγματά τους επρόκειτο να τοποθετήσουν τις σημαίες τους –τους περίφημους «Εφτά Μπαλτάδες»– πάνω και δυτικά του προμαχώνα.

Η τύχη της πόλης έχει πια κριθεί. Η ηρωική έξοδος των Γάλλων συμμάχων, υπό τον ναύαρχο Δούκα de Beaufort και τον δούκα de Navailles, απέτυχε, όπως και ο βομβαρδισμός των τουρκικών θέσεων από τον χριστιανικό στόλο. Η έκρηξη που βύθισε τη γαλλική υποναυαρχίδα La Thérèse σήμανε το τέλος της προσπάθειας.

Μπροστά στην απειλή της λεηλασίας και της σφαγής, ο τελευταίος ηρωικός υπερασπιστής του Κάστρου, Francesco Morosini, επέλεξε τη λύση της συνθηκολόγησης. Σύμφωνα με τους όρους της συνθήκης, που υπογράφηκε ύστερα από πολυήμερες και επίπονες διαπραγματεύσεις στις 16 Σεπτεμβρίου 1669, οι Βενετοί παραχωρούσαν την Κρήτη στους Οθωμανούς, πλην των οχυρών της Γραμβούσας, της Σούδας και της Σπιναλόγκας. Σε αντάλλαγμα, οι κάτοικοι της πόλης μπορούσαν να την εγκαταλείψουν, παίρνοντας μαζί τους όπλα, κειμήλια και αρχεία.

Χάρη σε αυτόν τον πολύτιμο όρο διασώθηκαν, μεταξύ άλλων, τα κρατικά αρχεία της πόλης, τα οποία μεταφέρθηκαν στη Βενετία. Αν και αργότερα ο Morosini κατηγορήθηκε για τους χειρισμούς του, τελικά αθωώθηκε. Αδιάψευστοι μάρτυρες της αγάπης του για την πόλη που υπερασπίστηκε επί 21 ολόκληρα χρόνια είναι τα θέματα που κοσμούν το λάβαρό του, φιλοτεχνημένο από τον φημισμένο Κρητικό ζωγράφο Βίκτωρα (σήμερα στο Μουσείο Correr της Βενετίας), καθώς και η αφιέρωση του οικόσημου και του στέμματός του στην Παναγία Μεσοπαντίτισσα, τη θαυματουργή εικόνα του Χάνδακα, που φυλάσσεται στον ναό της Santa Maria della Salute.

Όταν τα οθωμανικά στρατεύματα εισήλθαν στον Χάνδακα, στις 4 Οκτωβρίου 1669, βρήκαν μια έρημη πόλη.