De kruisvaarders begonnen Constantinopel eind april 1097 te verlaten. Godfried van Bouillon was de eerste die in Nicea arriveerde, met Bohemond van Taranto, Bohemonds neef Tancred, Raymond IV van Toulouse en Robert II van Vlaanderen die hem volgden, samen met Peter de Grote. Kluizenaar en enkele overlevenden van de Volkskruistocht, en een kleine Byzantijnse strijdmacht onder Manuel Boutoumites. Ze arriveerden op 6 mei met een ernstig tekort aan voedsel, maar Bohemond zorgde ervoor dat voedsel over land en over zee werd aangevoerd. Ze belegerden de stad vanaf 14 mei, waarbij ze hun troepen verdeelden over verschillende delen van de muren, die goed verdedigd waren met 200 torens. Bohemond kampeerde aan de noordkant van de stad, Godfrey in het zuiden en Raymond en Adhemar van Le Puy aan de oostelijke poort.
Op 16 mei trokken de Turkse verdedigers uit om de kruisvaarders aan te vallen, maar deTurken werden verslagen in een schermutseling waarbij 200 man verloren ging. De Turken stuurden berichten naar Kilij Arslan waarin ze hem smeekten terug te keren, en toen hij de kracht van de kruisvaarders besefte, keerde hij snel terug. Een voorhoede werd op 20 mei verslagen door troepen onder leiding van Raymond en Robert II van Vlaanderen, en op 21 mei versloeg het kruisvaardersleger Kilij in een veldslag die tot diep in de nacht duurde. De verliezen waren aan beide kanten zwaar, maar uiteindelijk trok de sultan zich terug, ondanks de smeekbeden van de Niceaanse Turken. De rest van de kruisvaarders arriveerden de rest van mei, terwijl Robert Curthose en Stefanus van Blois begin juni arriveerden. Ondertussen bouwden Raymond en Adhemar een grote belegeringsmachine, die naar de Gonatas-toren werd opgerold om de verdedigers op de muren aan te vallen, terwijl mijnwerkers de toren van onderaf ontgonnen. De toren raakte beschadigd, maar er werd geen verdere vooruitgang geboekt.
De Byzantijnse keizer Alexios I koos ervoor de kruisvaarders niet te vergezellen, maar marcheerde achter hen aan en sloeg zijn kamp op in het nabijgelegen Pelekanon. Van daaruit stuurde hij boten, die over het land rolden, om de kruisvaarders te helpen bij het blokkeren van het Ascaniusmeer, dat tot nu toe door de Turken was gebruikt om Nicea van voedsel te voorzien. De boten arriveerden op 17 juni onder het bevel van Manuel Boutoumites. De generaal Tatikios werd ook gestuurd, met 2.000 voetsoldaten. Alexios had de Boutoumieten opgedragen om in het geheim te onderhandelen over de overgave van de stad zonder medeweten van de kruisvaarders. Tatikios kreeg de opdracht om zich bij de kruisvaarders aan te sluiten en een directe aanval op de muren uit te voeren, terwijl Boutoumites deden alsof ze hetzelfde deden om het te laten lijken alsof de Byzantijnen de stad in de strijd hadden veroverd. Dit werd gedaan en op 19 juni gaven de Turken zich over aan de Boutoumieten.
Belegering van Nicea 1097. © HistoryMaps
Toen de kruisvaarders ontdekten wat Alexios had gedaan, waren ze behoorlijk boos, omdat ze hadden gehoopt de stad te plunderen voor geld en voorraden. Boutoumites werd echter dux van Nicea genoemd en verbood de kruisvaarders om in groepen groter dan 10 man tegelijk binnen te komen. Boutoumieten verdreven ook de Turkse generaals, die hij net zo onbetrouwbaar achtte. De familie van Kilij Arslan ging naar Constantinopel en werd uiteindelijk zonder losgeld vrijgelaten. Alexios gaf de kruisvaarders geld, paarden en andere geschenken, maar de kruisvaarders waren hier niet blij mee, omdat ze geloofden dat ze nog meer hadden kunnen krijgen als ze Nicea zelf hadden veroverd. De Boutoumieten wilden hen niet laten vertrekken voordat ze allemaal een eed van vazalschap aan Alexios hadden afgelegd, als ze dat in Constantinopel nog niet hadden gedaan. Net als in Constantinopel weigerde Tancred aanvankelijk, maar uiteindelijk gaf hij toe.
De kruisvaarders verlieten Nicea op 26 juni in twee contingenten: Bohemond, Tancred, Robert II van Vlaanderen en Tatikios in de voorhoede, en Godfried, Boudewijn van Boulogne, Stefanus en Hugo van Vermandois in de achterhoede. Tatikios kreeg de opdracht om de terugkeer van de veroverde steden naar het rijk te verzekeren. Ze waren opgewekt en Stefanus schreef aan zijn vrouw Adela dat ze verwachtten over vijf weken in Jeruzalem te zijn.