Pada 2 Mac 537 Masihi, tentera Goth bergerak menuju ke Jambatan Salaria dari arah utara. Garison seramai 150 orang telah beredar daripada pos kawalan mereka. Pada masa ini, Belisarius bersama dengan ribuan tentera berkudanya sedang memerhati keadaan sekitar. Tanpa diduga, mereka telah bertembung dengan tentera barisan hadapan Goth. Belisarius berada di tengah-tengah pertarungan itu tetapi beliau berjaya melepaskan diri. Pengawal Pintu Sallaria kemudiannya tidak membenarkan kemasukan tentera-tentera Belisarius kerana risau ia akan membahayakan kota Rom. Sementara itu, Goth semakin mara menghampiri Rom tetapi mereka telah terputus rangkaian semasa mereka bertindak mengejar tentera-tentera Belisarius. Belisarius menyusun semula tenteranya sebelum melancarkan serangan ke atas musuh sekali gus memecahkan barisan-barisan mereka. Mereka sempat mengejar tentera Goth sebentar sebelum berundur semula ke dalam kota.

Goth yang mempunyai jumlah tentera antara 20,000 dan 25,000 tentera telah mendirikan enam kem di timur Sungai Tiber dan mendirikan satu kem lagi yang terletak di arah barat untuk memastikan keadaan di Jambatan Novia yang jauh. Pada 21 Mac, Raja Vitiges melancarkan serangan pertamanya. Menara kepung yang besar telah dibina dan dibawa ke hadapan menuju ke dinding kota dengan menggunakan lembu jantan. Tentera-tentera yang lain cuba berada di kawasan parit untuk membolehkan menara kepung tersebut menghampiri Tembok Aurelia yang terletak berhampiran Pintu Celleria. Belisarius mengarahkan tenteranya untuk membunuh lembu jantan musuh dan ia telah menggagalkan serangan Goth. Ballista Rom telah mengenakan kerosakan dan kebinasaan ke atas penyerang dan Goth dipaksa untuk berundur. Vitiges mengarahkan serangan ditujukan ke arah makam Hadrian manakala beliau sendiri pergi menghampiri Pintu Penestrine untuk menyerang bahagian terlemah pada benteng pertahanan Rom sebelum mengepung Vivarium. Makam Hadrian telah hampir diserbu oleh kerana kedudukannya yang menonjol di luar benteng kota dan menjadikan ia terdedah kepada kerumunan Goth. Artileri Rom tidak dapat menyasarkan tembakan yang rendah untuk menghentam tentera Goth yang membawa tangga untuk memanjat tembok. Kemudian, pertahanan Rom dipaksa untuk memecahkan tugu-tugu yang terdapat di dalam kota. Serpihan-serpihannya telah digunakan untuk melontarkannya ke atas tentera musuh di luar. Ternyata usaha ini dapat menghalang percubaan Goth sekali gus membolehkan penggunaan artileri untuk melakukan serangan sebelum bantuan ketenteraan kepada Rom akhirnya sampai.

Pada masa yang sama di Vivarium, Goth berjaya menghancurkan tembok di sana tetapi kemudian diserang hendap oleh tentera Rom di dalam kota sehingga semua tentera Goth berjaya dibawa keluar semula. Belisarius mengarahkan satu serangan mengejut dari Pintu Prenestine untuk menjauhkan tentera Goth dari tembok kota Rom. Perkara yang sama turut terjadi di Pintu Sallaria dan tentera Rom di situ telah membakar peralatan-peralatan musuh untuk mengepung kota yang telah dibawa. Beberapa serangan kecil dan tidak signifikan juga dapat ditangkis oleh tentera Rom pada hari tersebut.

Pada hari berikutnya, Belisarius berjaya memindahkan penduduk perempuan dan kanak-kanak daripada kota dengan menggunakan kapal kecil atau melalui Jalan Appia. Pengepungan Goth sudah tidak terlalu kencang lagi. Saki baki penduduk Rom dikerah dan diupah dengan bayaran yang kecil. Hal ini akan memantapkan pertahanan Rom sambil menambahkan bekalan makanan. Lebih penting lagi, hal ini membolehkan Belisarius untuk mempertahankan benteng-bentengnya. Pada setiap malam, tentera-tentera telah ditempatkan di lokasi benteng yang berbeza untuk mengurangkan ancaman penyuapan oleh Goth.

Pada 13 Apri, Belisarius akhirnya memperoleh bantuan ketenteraan apabila 16,000 tentera berkuda telah tiba di Rom. Beliau mula mengarahkan kavalrinya melakukan serangan mengejut untuk mengecilkan jumlah tentera Goth melalui unit hebat Belisarius bersama dengan taktikal yang bersefahaman. Beratus-ratus tentera kavalri Rom mengambil alih kawasan bukit di luar kota Rom dan melepaskan tembakan anak panah menyasarkan kem Goth sekali gus mengorbankan ramai askar di pihak musuh. Bergantung kepada tindak balas, tentera Rom sama ada terus melepaskan tembakan ke atas pengawal musuh yang cuba membalas serangan ataupun mengheret musuh untuk bertempur di dalam jarak lingkungan yang boleh diserang oleh artileri yang berada di dalam kota sekiranya tentera musuh termakan umpan. Ratusan tentera Goth dan kuda-kuda tunggangan mereka terbunuh dalam pertarungan ini sementara Rom hanya menghadapi kerugian nyawa yang sedikit. Dengan rasa hampa, Vitiges bersama dengan 500 tentera kavalrinya yang bersenjatakan lembing telah bertahan di kawasan bukit. Tentera Rom yang diketuai oleh Bessas bersama dengan kekuatan 1,000 tentera mengepung dan membunuh mereka.

Kavalri Rom mampu menggunakan busur sambil menunggang manakala Goth pula tidak dapat melakukannya dan ia merupakan penentu bagi pertembungan ini. Belisarius kini mempunyai peluang terbuka untuk menamatkan pengepungan. Jadi, beliau memutuskan untuk melangkah keluar dari kota dan menyerang tentera musuh secara langsung. Pihak masing-masing telah menetapkan susunan tentera mereka di mana pasukan kavalri memenuhi ruang sayap manakala infantri pula mengisi jantung pasukan. Tentera Rom juga menempatkan sebuah tentera yang kecil untuk menduduki bahagian barat kem Goth. Tanpa dijangka, unit ini menyerang dan mengheret Goth pergi daripada kem mereka. Mereka sepatutnya mengejar tentera Goth tetapi sebaliknya merampas barang-barang berharga di kem itu. Kemudian, tentera Goth ini kembali semula ke kem mereka dan membunuh mereka.

Walaupun menghadapi kekalahan, tentera Vitiges masih mengatasi jumlah tentera Belisarius. Goth melancarkan serangan yang membuatkan Rom perlu untuk berundur dengan segera. Hanya jantung pasukan Rom terus bertahan bagi memberikan masa kepada tentera sayap yang lain untuk berundur masuk ke dalam kota. Goth tidak sanggup menghadapi serangan daripada pemanah dan artileri Rom lalu mereka tidak jadi untuk meneruskan serangan. Berikutan kekalahan yang memalukan, Belisarius tidak lagi sesekali cuba untuk melakukan serangan di luar kota dan mula melakukan serbuan melalui tenteranya yang kecil pada tiap-tiap hari. Tentera Goth masih lagi mengatasi tentera musuh tetapi mereka tidak mampu mengepung mengelilingi kota. Pengepungan yang longgar ini telah membenarkan dari ratusan hingga ke ribuan bantuan ketenteraan dan bekalan makanan untuk kota Rom. Tentera Laut Rom telah pun menguasai laut manakala kavalri Rom jauh lebih hebat berbanding Goth. Goth kini mempunyai masalah yang logistik dan takut untuk mencari makanan. Pengepungan terus berlarutan selama sepuluh bulan berikutnya sambil 67 pertempuran kecil direkodkan.

Vitiges perlu memohon rundingan damai. Belisarius telah menawarkan gencatan senjata selama tiga bulan apabila beliau menyatakan dirinya tidak mempunyai sebarang kuasa untuk bersetuju dengan mana-mana perjanjian damai. Kapal-kapal Rom yang membawa bekalan makanan telah berlayar melalui Sungai Tiber menuju ke Rom. Pada dasarnya, pengepungan ini dilihat telah dimenangi oleh Rom pada masa ini. Belisarius kemudian membentuk sebuah pasukan kavalri yang dipimpin oleh John bersama kekuatan seramai 2,000 tentera untuk menyerbu dan menawan kota-kota yang terdapat di Laluan Flaminia sekiranya Goth melanggar gencatan senjata. Goth secara rahsianya telah cuba untuk menggunakan laluan aqueduct untuk memasuki Rom tetapi Belisarius telah memusnahkannya sebulan lalu. Rom mengisytiharkan bahawa Vitiges telah mengingkari gencatan senjata membuatkan mereka mula menyerang Goth semula. Kedudukan Goth kini tidak dapat bertahan lagi sekali gus mereka terpaksa menamatkan pengepungan. Belisarius pula sedang menunggu sebahagian daripada Goth untuk menyeberangi Jambatan Milvia sebelum melancarkan serangan dan menyingkirkan tentera Goth di barisan terakhir. Tarikh 12 Mac 538 Masihi menandakan pengepungan kota Rom berlangsung selama satu tahun dan sembilan hari. Akhirnya, Rom berada di pangkuan Empayar Rom.