Apabila Sultan Muhammad al-Fateh menaiki takhta sekali lagi pada tahun 1451, baginda menumpukan dirinya untuk mengukuhkan tentera laut Uthmaniyyah dan membuat persediaan untuk mengambil Constantinople. Di Selat Bosphorus yang sempit, kubu Anadoluhisarı telah dibina oleh datuknya, Sultan Bayezid I di bahagian Asia; Sultan Muhammad al-Fateh mendirikan kubu yang lebih kuat yang dipanggil Rumelihisarı di sebelah Eropah dan dengan itu baginda mendapat kawalan sepenuhnya ke selat itu. Setelah selesai bentengnya, Baginda meneruskan pelabuhan pada kapal-kapal yang melintas dalam jangkauan meriam mereka. Sebuah kapal Venetian yang mengabaikan isyarat untuk berhenti telah ditenggelamkan dengan tembakan meriam dan semua pelaut yang masih hidup dipancung kepala kecuali kapten yang telah dilancarkan sebagai orang kulit hitam manusia sebagai amaran kepada pelaut lebih lanjut di selat itu.

Abu Ayyub al-Ansari, pengawal Sultan Muhammad al-Fateh meninggal semasa pengepungan tahap pertama di Constantinople (674-78). Apabila tentera Uthmaniyyah mendekati Constantinople, Sheikh Akshamsaddin Mehmed menemui makam Abu Ayyub al-Ansari. Selepas penaklukan itu, baginda membina Masjid Eyüp Sultan di lokasi itu untuk menekankan pentingnya penaklukan ke dunia Islam dan menyerlahkan peranannya sebagai ghazi.

Pada tahun 1453, baginda memulakan pengepungan Constantinople dengan bilangan tentera yang dianggarkan antara 80,000 dan 200,000 tentera dengan sebuah kereta api artileri lebih dari tujuh puluh keping bidang besar dan 320 kapal angkatan laut, sebahagian besar mereka mengangkut dan menyimpan. Oleh kerana bandar ini dikelilingi oleh laut dan darat; tentera di pintu masuk Bosphorus menbentuk satu formasi dari pantai ke pantai dalam bentuk sabit bertujuan untuk memintas dan menolak sebarang bantuan untuk Constantinople dari laut.

Pada awal April, pengepungan Constantinople bermula. Pada mulanya, tembok kota telah menghalang tentera Sultan Muhammad al-Fatih, walaupun tentera baginda menggunakan pengeboman baru yang direka oleh Orban iaitu sebuah meriam gergasi yang serupa dengan Dardanelles Gun. Pada masa yang sama, pelabuhan Golden Horn telah dihalang oleh rantai ledakan dan dikawal oleh dua puluh lapan kapal perang.

Pada 22 April, Sultan Muhammad al-Fatih dan tenteranya mengangkut kapal perangnya yang lebih ringan, di sekitar jajahan Genoa di Galata ke pantai utara Golden Horn; lapan puluh galley diangkut dari Bosphorus selepas membuka laluan lebih kurang satu batu dengan kayu. Oleh itu, Byzantine membentengkan pasukan mereka ke dinding dengan lebih lama. Sekitar sebulan kemudian, Constantinople mula jatuh.

Pada 29 Mei, selepas pengepungan selama lima puluh tujuh hari, akhirnya Sultan Muhammad al-Fatih berjaya menakluk Kota Constantinople. Selepas penaklukan ini, baginda memindahkan ibu kota Uthmaniyyah dari Adrianople ke Constantinople.

Ketika Sultan Muhammad al-Fatih melangkah masuk ke dalam runtuhan Boukoleon yang umum dikenali oleh masyarakat Uthmaniyah dan Parsi sebagai Istana Caesars. Runtuhan ini mungkin dibina lebih dari 1000 SM. Theodosius II menyairkan ayat termasyhur Saadi:

Selepas penaklukan Constantinople, baginda mendakwa bahawa gelaran "Caesar" Empayar Rom (Qayser-i Rûm) hanya berdasarkan penegasan bahawa Constantinople telah menjadi tempat duduk dan ibu kota Empayar Rom sejak 330M. Barangsiapa yang memilikinya adalah seorang penguasa kerajaan. Sarjana George Trebizond turut menyokong tuntutannya. Tuntutan itu hanya diiktiraf oleh Gereja Ortodoks Timur, tetapi tidak diiktiraf oleh Gereja Katolik dan sebahagian besar Eropah Barat. Akhirnya, Gennadius II mengiktiraf Sultan Muhammad al-Fatih sebagai pengganti takhta.

Selepas kejatuhan Constantinople, baginda menakluk Morea di Peloponnesa pada tahun 1460 dan Empayar Trebizond di timur laut Anatolia pada tahun 1461. Dua kekosongan pemerintahan Byzantine yang terakhir telah diserap oleh Empayar Uthmaniyyah. Penaklukan Constantinople memberikan sumbangan yang besar terhadap negara tersebut.