Началась длительная осада города. Используя иностранных инженеров, турки стали возводить напротив крепостных стен огромный вал. Однако казаки сделали вылазку и подорвали его. Тогда турки насыпали еще один вал до высоты стен Азова и, вкатив на него артиллерию, начали обстрел города, продолжавшийся 16 дней подряд. Крепостные стены были сильно разрушены, но казаки успели возвести вторую линию обороны. Когда и ее разрушили, они возвели третью, а затем четвертую. Подкопы также не принесли туркам успеха. Казаки заранее делали контрподкопы и уничтожали турок прямо под землей. Тогда Гуссейн-паша стал посылать свои войска на штурм каждый день. Три недели бесконечных штурмов выматывали защитников Азова, но и турецкие войска были крайне утомлены. За время штурма они потеряли половину пехоты и израсходовали большую часть запасов пороха и свинца. В осадном лагере начались болезни и перебои с провизией. Начался падеж лошадей. От нестерпимого смрада там стало невозможно находиться. Гуссейн-паша справедливо просил султана отложить штурм крепости на год, но получил простой и лаконичный ответ: «Возьми Азов или отдай свою голову».
Осада затянулась, однако турки более не предпринимали активных усилий по штурму крепости. Это позволило гарнизону передохнуть, а из Черкасского городка к ним пришли подкрепления. Все это подняло боевой дух защитников, которые приготовились к дальнейшему сопротивлению. Длительные обстрелы города разрушили в нем большую часть зданий, однако чудом уцелела церковь Иоанна Крестителя. Все это придавало казакам сил и, несмотря на тяжелое положение, они продолжали совершать ночные вылазки, делали подкопы, придумывали разные военные хитрости, чтобы беспокоить турецкую армию.
Однако силы были неравны. В результате штурма турки смогли захватить один из бастионов, только вовремя подоспевшее подкрепление позволило его отбить и ликвидировать опасность для крепости. В конечном итоге обе стороны были крайне измождены осадой. Казаки не имели больше сил оборонять крепость, турки в бесчисленных и бесплодных атаках так и не добились своей цели. Оба лагеря страдали от одних и тех же недугов — дизентерии, цинги и других болезней, которые буквально косили людей. Сырая осенняя погода делала муки осаждающих и осажденных еще более мучительными. Стараясь окончательно сломить казацкий дух, Гуссейн-паша приказал забросать крепость грамотами, в которых обещал по тысяче талеров каждому, кто сдастся и уйдет из Азова. Желающих так и не нашлось…
В октябре казаки пошли на решающую вылазку. В своей обычной манере они бесшумно подкрались к лагерю неприятеля, однако оказалось, что он пуст. Турки сняли осаду. Часть казаков, сохранивших боевой дух и силы, бросилась в погоню за уходящим турецким флотом. На одном из турецких кораблей они захватили большое султанское знамя и шесть малых знамен. Так закончилась четырехмесячная осада крепости. Победа далась казакам дорогой ценой, но они раз и навсегда заявили о себе как о могучей силе, готовой дать отпор врагу. Той же зимой в Москву отправилась делегация казаков во главе с походным атаманом Наумом Васильевым. Они просили царя выдать им жалованье и помочь с боеприпасами и другими необходимыми материалами. Михаил Федорович повелел выдать казакам за их службу 5000 рублей деньгами, хлебное жалованье и другие съестные запасы, порох и свинец, 200 поставов сукна
После поражение под Азовом в 1641 году турецкий флот пережил еще одну напасть — шторм. По разным источникам, в море погибло 9 или 10 галер. Пиали-паша с трудом прибыл в Кафу, где задержался на период непогоды. Для него это была возможность переждать султанский гнев, который был неизбежен, учитывая размеры турецких потерь.
Прибывший в Москву осенью 1642 года грек Афанасий Иванов сообщал о том, что застал прибытие в Константинополь из-под Азова турецкого флота из 28 галер. Они были переполнены ранеными, что вызвало в городе большую скорбь. Он же сообщил о том, что, по данным венецианского посла, под Азовом турецкая армия потеряла 75 тысяч человек. Эти данные посол пытался передать в Европу. Однако турки перехватили сообщение и доставили его лично султану. Разразился скандал. Султан был в ярости, поскольку выяснилось, что визирь Мустафа-паша уговорил капудан-пашу турецкого флота, вернувшегося после штурма крепости, не сообщать об истинных размерах потерь под Азовом. В результате султану сообщили о потере всего 30 тысяч человек. Согласно турецким законам, это фактически означало верную смерть для обоих военачальников. Но, в конечном итоге, Пиали-паша и Гуссейн-паша сохранили свои жизни, но лишь благодаря заступничеству матери султана, хотя оба лишились своих постов. Новым командующим флотом был объявлен визирь Магомед-паша, а место главнокомандующего получил египетский наместник Мустафа-паша. Они стали собирать новую армию для похода на Азов.
Однако и казакам оборона Азова далась дорогой ценой. Из 5367 казаков, участвовавших в обороне крепости, погибло около 3000. И это не считая попавших в плен. Такие огромные потери поставили вопрос о возможности выдержать еще одну осаду.
В апреле 1642 года казаки совершили морскую вылазку из Азова. На 11 стругах отряд атамана Осипа Колуженина напал на крымское побережье недалеко от Керчи для захвата пленных и получения известий о планах турок и татар. В результате захваченные языки сообщили, что турки перевозят под Азов лес для строительства крепости на Мертвом Донце. Она должна была стать базой, откуда турки собирались действовать при новой осаде в 1642 году.
Единственным способом сохранить крепость было включение ее во владения Русского государства Атаманы Войска Донского обратились в Москву с просьбой решить эту проблему. Для решения вопроса об Азове в Москве был созван Земский собор, работавший с 3 по 13 января 1642 года, он высказался за оказание помощи Войску Донскому и приятие Азова в состав государства. Однако правительство Михаила Федоровича рассудило иначе. В грамоте от 30 апреля того же года царь приказал казакам оставить крепость. 28 мая в Азов прибыло посольство во главе с М. Засецким.
Узнав о царском решении, казаки согласились оставить крепость, поскольку удерживать ее казаки не могли. Укрепления были сильно разрушены, а сил и средств для их восстановления не было. Атаманы просили Москву прислать для восстановления крепости специалистов, однако это шло вразрез с политикой Русского государства. Прямое участие в азовских делах грозило полномасштабной войной с могущественной Османской империей. Военных возможностей для этого не было, поэтому летом, как только появились известия о приближении турецкого флота в 1642 году, казаки сами оставили Азов, разрушив все, что было возможно.
Прибывший в 1642 году в Азов с флотом из 38 галер Мустафа-паша нашел пустынную разрушенную крепость практически без крепостных стен. Султану пришлось пригласить для ремонта стен генуэзских мастеров, которые в спешном порядке начали реконструкцию крепости для защиты выхода в море. Стремясь скорее восстановить их, турки спешно построили временный частокол, а поскольку вокруг не было ни леса, ни каменоломен, им пришлось использовать запасные стеньги и мачты от кораблей для обжига кирпича, из которого сложили новые стены.
Заняв крепость, турки оставили здесь гарнизон из 26 тысяч человек. На протоке Каланча поставили две башни и между ними протянули цепь. Кроме того, они начали строительство крепости на Мертвом Донце. В 1643 году они предприняли поход против казаков, разгромив Монастырский, Черкасский городок и Маныч. Донцы ушли выше по течению в Раздоры. Однако ненадолго и вскоре вновь заселили низовья Дона.
В 1643 году в результате переговоров с Османской империей было заключено соглашение о заключении мира. В обмен на запрет Михаила Федоровича казакам ходить к Азову султан Ибрагим дал обещание не нападать на русские земли и освобождать пленников, захваченных татарами. Кроме того, был произведен обмен пленными без всякого выкупа.
После этого произошло временное улучшение русско-турецких отношений. Но это было лишь затишье перед началом новых кампаний.