Фердинанд направил просьбу о помощи в общих интересах сейму Шпейера, делая особый акцент на самоуверенность Сулеймана, заявившего, что не сложит оружия, пока не воздвигнет монумент в честь своей победы на берегу Рейна. Это произвело определенное впечатление, и наконец, приняв во внимание несколько прохладный призыв Лютера выступить против турок, протестанты и католики объединились и проголосовали за выделение войск для обороны империи. На мобилизацию потребовалось какое-то время, и, не задержи дожди Сулеймана на целый месяц, войска не смогли бы прибыть вовремя, чтобы оказать поддержку в спасении города. На деле подкрепления подошли за три дня до появления турок, увеличив численность венского гарнизона с двенадцати до почти двадцати тысяч человек. Более того, это были не просто новобранцы феодалов, а в основном хорошо обученная профессиональная пехота, ветераны кампаний императора в Италии, и ими командовал храбрый и опытный генерал, имевший за плечами полвека воинской службы, граф Николас фон Сальм.

Оборонительные рубежи Вены были на скорую руку, но предприимчиво укреплены. Задача обороняющихся заключалась в превращении в надежную крепость наполовину разрушенного города, окруженного средневековыми стенами едва ли 6 футов толщиной и хрупким внешним частоколом, удачно названным «изгородью города». Дома, расположенные слишком близко к стенам, сровняли с землей. Позже, чтобы нейтрализовать все возможные преимущества атакующих турок, было решено пожертвовать всеми зданиями, расположенными вне городских стен на расстоянии пушечного выстрела. Для этого пришлось предать огню все пригороды, всего восемьсот зданий, включая городскую больницу, несколько церквей и монастырей, а также замок на вершине холма, который мог бы стать для турок укрепленным пунктом. Внутри города были возведены новые земляные укрепления с траншеями и новая стена высотой 20 футов с новым рвом. Берег Дуная укрепили и перегородили частоколом. В окрестностях собрали все продовольствие, чтобы создать запасы. Были приняты меры пожарной безопасности, на случай использования зажигательных снарядов, и с домов сняли легко воспламеняющиеся крыши. Наконец, все городские ворота, кроме одних, служивших проходом для вылазок, заложили кирпичом. Стариков, женщин и детей, а также священников эвакуировали из города, чтобы осталось меньше ртов, которые следовало кормить. Однако многие из покинувших город попали в руки акынджи. Тем временем, когда началась осада, сам Фердинанд находился вне Вены, в Линце, все еще добиваясь помощи от германских принцев.

К счастью для защитников, Сулейман был вынужден из-за дождей оставить позади основную часть своей тяжелой осадной артиллерии, столь эффективной на Родосе. Он имел только легкие пушки, способные нанести лишь незначительные повреждения укрепленным стенам, и поэтому мог полагаться главным образом на минирование. Тем не менее султан недооценил стоящую перед ним задачу и предложил гарнизону сдаться на согласованных условиях, заявляя, что он стремился только преследовать и обнаружить короля Фердинанда. Он похвастался, что в случае продолжения сопротивления позавтракает в Вене через три дня, в День святого Михаила, и так разрушит город, что тот никогда больше не возродится, и не оставит в живых ни одного человека. Но прошли две недели, а венцы все еще держались. День святого Михаила принес только новые, не по сезону, дожди, от которых турки в своих легких шатрах сильно страдали. Отпущенный на свободу пленный доставил султану записку, где говорилось, что его завтрак уже остыл и ему придется довольствоваться той пищей, которую могут доставить ему пушки с городских стен.

Мушкетный огонь турок был настолько метким и постоянным, что делал невозможным появление любого защитника на этих стенах без риска получить рану или быть убитым. Турецкие лучники, прятавшиеся среди руин пригородов, выпускали бесконечный град стрел, причем настолько точный, что они попадали в бойницы и амбразуры в стенах, и выход горожан на улицы стал делом опасным. Стрелы летели по всем направлениям, и венцы брали некоторые из них, обернутые в дорогие ткани и даже украшенные жемчугом — видимо, выпущенные знатными турками, — в качестве сувениров на память. Турецкие саперы взрывали мины, и, несмотря на активное контрминирование через городские подвалы, в стенах города стали появляться бреши. Непрекращающиеся атаки турок отражались мужественными защитниками, которые отмечали свой успех громкими звуками труб и военной музыкой. Они сами периодически совершали вылазки, возвращаясь иногда с пленными и трофеями. В одном случае они привели с собой восемьдесят человек и пять верблюдов.

Сулейман наблюдал за военными действиями из покры того коврами шатра, увешанного изнутри тонкими дорогими тканями и обставленного украшенными драгоценными камнями диванами. Многочисленные остроконечные башенки шатра венчались головками из чистого золота. Он, казалось, парил над турецким лагерем. Здесь султан допрашивал взятых в плен христиан и отправлял их обратно в город с угрозами и обещаниями, нагруженных дарами — одеждой и турецкими дукатами. Но только на защитников это не производило никакого впечатления. Они, как говорилось в популярной песне, для султана были «не людьми, а дьяволами». Ибрагим-паша, руководя осадой, стремился вдохновить атакующих, раздавая пригоршни золота в награду за голову врага или за захват важного пленного. Но поскольку моральный дух войск падал, их приходилось заставлять идти в бой ударами палок и плетей или угрожая саблями.

Вечером 12 октября в ставке султана был созван диван — военный совет, чтобы решить, продолжать или нет осаду. Ибрагим, выражая взгляды большинства, выступил за ее снятие; моральный дух армии был низок, приближалась зима, припасы подходили к концу; янычары проявляли недовольство, противник ожидал скорого подкрепления. После обсуждения было решено попытаться предпринять четвертый и последний главный штурм с предложением войскам исключительных денежных вознаграждений за успех. 14 октября штурм был начат янычарами и отборными частями армии султана. Турки столкнулись с отчаянным неослабевающим сопротивлением. Атакующим не удалось проникнуть в брешь в стене шириной 150 футов. Потери турок были очень тяжелыми, и среди солдат распространилось разочарование.

Армия султана была, по сути, силой, способной воевать только в летнее время, и ее наступательная мощь ограничивалась тем, что феодальная кавалерия не могла выдержать зимней кампании, не потеряв своих лошадей. Следовательно, продолжительность сезона боевых действий для нее ограничивалась шестью месяцами или немногим больше. Да и сам султан, как и сопровождавшие его министры, не мог так долго отсутствовать в Стамбуле. Учитывая, что шла уже середина октября и последняя атака окончилась неудачей, Сулейман снял осаду и отдал приказ отступить. Турецкие войска сожгли свой лагерь, убили или сожгли заживо пленных, захваченных в австрийской сельской местности, за исключением тех лиц обоего пола, которые были молоды и могли быть проданы на невольничьих рынках. Армия начала долгий обратный путь до Стамбула, одолеваемая стычками с вражеской кавалерией и изматываемая погодой, которая стала еще хуже. Молчавшие во все время осады колокола Вены теперь триумфально звонили, и этот звон не мог заглушить грохот орудийных залпов, а в кафедральном соборе Святого Стефана звучал Те Deum («Тебя, Бога, славим») — благодарность за великую победу. Мейстерзингер Ганс Сакс сочинил благодарственную балладу со словами «Если Бог не хранит город, тщетны все усилия караула».