Depois de passar o inverno nas costas ocidentais da Ásia Menor, os Árabes cruzaram o mar em direção à Trácia no início do verão de 717 e construíram linhas de cerco para bloquearem a cidade, a qual era protegida pelas maciças muralhas de Teodósio. A armada árabe, que acompanhava o exército terrestre e deveria completar o bloqueio da cidade por mar, foi neutralizada logo que chegou pela marinha bizantina através do uso de fogo grego, o que possibilitou que Constantinopla pudesse ser abastecida por mar, ao mesmo tempo que os Árabes foram dizimados pela fome e doença durante o inusitadamente duro inverno que se seguiu. Na primavera de 718, duas frotas árabes enviadas como reforços foram destruídas pelos Bizantinos após as suas tripulações cristãs terem desertado. Um exército enviado por terra pelo califado caiu numa emboscada e foi derrotado. A juntar a isto, os aliados búlgaros dos Bizantinos atacaram os Árabes pela retaguarda, obrigando-os a levantar o cerco em 15 de agosto de 718. Na viagem de volta, a frota que transportava as tropas árabes foi destruída quase por completo por desastres naturais.

O fracasso do cerco teve amplas repercussões. A resistência de Constantinopla assegurou a sobrevivência e continuidade de Bizâncio e provocou uma alteração na perspetiva estratégica do califado: embora os ataques regulares a territórios bizantinos continuassem, o objetivo de conquista permanente foi abandonado. Os historiadores atribuem ao cerco a paragem do avanço muçulmano para o interior da Europa e consideram-no uma das batalhas mais decisivas da história.