Ночью левое крыло войск Тутмоса было передвинуто ближе к противнику, к дороге на Зефти, чтобы отрезать повстанцам путь отступления на север, а утром город был атакован. Пешее войско было разделено на два крыла, одно из которых (южное) возглавил сам фараон. Колесницы были посланы для защиты пеших воинов от вражеских колесниц. Боевой порядок состоял из трех частей: левое крыло – на высотах, на правом берегу Кины; центр – на левом берегу; левое крыло – на высотах на северо-западе от города. Правильно выбрав момент, Тутмос напал неожиданно, чем ввел противника в замешательство. Оборонительные линии восставших рухнули буквально сразу после нападения. Войска повстанцев, находившиеся ближе всего к воротам, бежали в город, закрыв их за собой. Египетские войска ворвались в лагерь ханаанцев, усилив свою армию с помощью захваченных 900 колесниц и 200 доспехов, но жадность египетских войск имела и негативные последствия. Увлеченные грабежом побежденного противника, египтяне дали возможность царям Кадеша и Мегиддо сначала войти в город, а позже и вовсе сбежать. Также воины, оставшиеся за пределами города, смогли взобраться на стены по веревкам, которые им спустили товарищи, успевшие войти в город. Избежавшие окружения в Мегиддо князья заключили мир с разгневанным фараоном и, как сообщают источники, «приползли на своих животах поклониться славе его величества и вымолить дыхание своим ноздрям (то есть подарить им жизнь), потому что велика сила его руки и велика его власть».
После битвы началась осада города. Тутмос понимал, что разграбление лагеря во время битвы – ничто по сравнению с будущей добычей. Перед осадой Тутмос обратился к своей армии со следующими словами: «Если бы вы вслед за этим взяли город, то я совершил бы сегодня (богатое приношение) Ра, потому что вожди каждой страны, которые восстали, заперты в этом городе и потому что пленение Мегиддо подобно взятию тысячи городов». Несмотря на опыт штурма городов, успешный штурм Мегиддо был невозможен из-за того, что египтяне могли атаковать город только с юга, что не позволило бы им реализовать свое численное преимущество. Вокруг города была сооружена ограда из древесных стволов, которую египтяне прозвали «Тутмос, осаждающий азиатов». Во время осады фараон решил захватить соседние города, которые выразили свою поддержку Мегиддо. Среди этих городов были Иноам, Нугес и Херенкеру. Их правители оказывали сопротивление Тутмосу, но после победы египетских войск открывали ему свои ворота. Воины фараона забирали необходимые им вещи, а каждый из правителей приносил Тутмосу клятву верности. Осада длилась семь месяцев. Из-за блокады в Мегиддо начался голод, который принудил правителей сдаться. Из-за отсутствия в источниках упоминания о судьбе