Belisario, con un pequeño ejército, fue incapaz de continuar su marcha al norte, hacia Rávena, ya que las fuerzas ostrogodas lo superaban ampliamente en número.

Percatado de este descontento, Vitiges intentó que la ciudad se rindiese prometiendo el salvoconducto del ejército romano, pero su oferta fue rechazada.

Los soldados sobre las murallas tomaron esto como un augurio de triunfo y comenzaron a celebrar.

Los bueyes fueron despachados rápidamente y las cuatro torres permanecieron donde estaban, inservibles, delante de las murallas.

[10]​ Después, Vitiges dejó un grupo grande que mantuviera ocupados a los defensores, y atacó las murallas por el sudeste, en las proximidades de la Porta Maggiore, conocida como Vivarium, donde las fortificaciones eran más bajas.

Tomando a los godos por sorpresa, sus hombres los hicieron retroceder y quemaron sus armas de asedio.

En su carta, Belisario agregó palabras de aviso respecto a la lealtad de la población: «Y aunque de momento los romanos nos guardan un buen trato, aun cuando sus inconvenientes se prolongan, seguramente no vacilarán en elegir el rumbo que más se ajuste a sus propios intereses [...] Es más, los romanos se verán obligados por el hambre a realizar cosas que preferirían no hacer».

[14]​ Mientras tanto, Vitiges, enfurecido por su fracaso, envió la orden a Rávena de matar a los senadores que tenía como prisioneros allí, y además decidió completar el aislamiento de la ciudad sitiada cortando su comunicación por mar.

Como resultado, pese a que los romanos conservaron el control de Ostia misma, sus problemas de abastecimiento empeoraron, ya que los envíos debían ser descargados en Antium (la actual Anzio) y luego ser transportados laboriosamente hasta Roma.

[15]​ Por fortuna para los sitiados, veinte días después, los refuerzos prometidos (1600 efectivos de caballería) llegaron y consiguieron entrar en la ciudad.

En la ciudad los esperaban ballistas y catapultas que rechazaban a los godos, causándoles gran número de bajas.

Al principio, Belisario se negó debido a que aún existía una gran disparidad numérica, pero finalmente fue persuadido y realizó sus preparativos.

El cuerpo principal del ejército, bajo su mando, marcharía desde las puertas Pincia y Salaria al norte, mientras que un pequeño destacamento de caballería bajo la dirección de Valentinus, junto con el grueso de los civiles armados, enfrentaría a la enorme fuerza goda acampada al oeste del río Tíber y evitaría su participación en la batalla, aunque sin trabarse en un enfrentamiento directo.

[17]​ Por su parte, Vitiges desplegó su ejército del modo acostumbrado, con la infantería en el centro y la caballería en los flancos.

Entre tanto, en el lado oriental del Tíber, los romanos habían llegado a los campamentos godos.

Allí la resistencia fue feroz y la pequeña fuerza romana sufrió varias pérdidas en combate cerrado.

Los godos, sufriendo hambre y enfermedades al igual que los sitiados, recurrieron a la diplomacia.

El diálogo, tal como fue conservado por Procopio, ilustra claramente la situación cautelosa de ambos bandos, con los enviados afirmando haber sufrido una injusticia y ofreciendo territorios y con Belisario seguro en su posición, desdeñoso hacia los reclamos godos e incluso formulando comentarios sarcásticos ante sus propuestas.

Primero intentaron hacerlo usando el acueducto Aqua Virgo; desafortunadamente para ellos, las antorchas que utilizaban para explorarlo fueron detectadas por un guardia de la cercana Porta Pincia.

El acueducto recibió guardia constante y los godos, al darse cuenta, no volvieron a tratar de usarlo.

En cambio, las rodeó y se dirigió a Ariminum (Rímini), invitado por la población romana local.

Sin embargo, muy pronto, los godos se encontraron bajo el eficaz liderazgo de su nuevo rey, Totila, consiguiendo revertir la situación hasta que la posición del Imperio en Italia casi colapsó.

En 546, Roma volvió a ser sitiada por Totila, y esta vez Belisario no pudo evitar su caída.

Al cabo, la ciudad fue ocupada por los imperiales una vez más, y Totila tuvo que volver a sitiarla en 549.