Непобедимая монгольская орда двинулась на Владимир. Князь Георгий обратился за помощью к братьям Ярославу, княжившему в Киеве, Святославу и к Новгородскому князю Александру Ярославичу, а сам выступил с дружиной к Волге собирать новое войско. Он рассчитывал, что хорошо укреплённые стены Владимира будут неприступны для кочевников и защитники города во главе с воеводой Петром Ослядюковичем продержатся до прибытия основных сил. Однако кочевники-монголы, в отличие от привычных половцев, имели колоссальный опыт захвата городов. В первых рядах атакующих, как живой щит, шли пленные и воины покорённых народов. Мощные стенобитные механизмы, которые разбивали любые преграды, были испытаны ещё при взятии китайских городов. При осаде использовались порох и зажигательные смеси, что для деревянных русских городов было губительно.
В феврале 1237 года монгольское войско подошло к Владимиру. Монголы подвели к стенам пленного князя Владимира и потребовали сдаться. Услышав отказ, они убили несчастного Владимира на виду у обороняющихся. Первый штурм был отбит, несмотря на сильное разрушение городских стен камнемётными машинами. На следующий день монголо-татары ворвались в город через пробитые накануне бреши. Сеча продолжилась на улицах Владимира. Но силы были неравны. Оставшиеся в живых защитники столицы отошли за стены «Мономахова города». Сын Георгия князь Всеволод постарался вывести остатки дружины из города, надеясь остановить этим кровопролитие, но был убит.
Княжеская семья вместе с епископом Митрофаном затворились в Успенском соборе. Они поднялись высоко на хоры храма, но монголы подожгли собор, и все погибли в огне «з детми, и со снохами и со внучаты». Накануне все они приняли иноческий облик – постриг. Позже княгиня Агафья, жена князя Георгия, сыновья Всеволод и Мстислав, дочь Феодора и погибшие вместе с ними жена Всеволода Марина, жена Мстислава Мария, жена Владимира Христина, дети и внуки были причислены к лику святых (Владимирские мученики). Епископ Митрофан в древних святцах был помещён между святыми.
Из всего потомства великого князя Георгия Всеволодовича в живых осталась только дочь Добрава, выданная замуж за Волынского князя Василька Романовича.
Город был разорён. Жители перебиты или захвачены в плен.
Монгольское войско огнём и мечом прошлось по Владимирской земле, опустошая всё на своём пути. Захватив Торжок, оно повернуло обратно, не дойдя до Новгорода. Небольшой город Козельск, стоявший на их пути, продержался в осаде семь недель, героически сопротивляясь превосходящим силам завоевателей. Лишь когда стены были разрушены, монголо-татары ворвались в город. В бою погибли все жители, но не сдались. Батый назвал Козельск «злым городом» и приказал сровнять его с землёй. В русской истории оборона Козельска сохранилась как пример величайшего мужества и стойкости.
Столь же героической была и оборона Суздаля. Древнюю столицу защищали монахи и окрестные крестьяне. Храбро сражались чернецы на городских стенах под колокольный звон и все полегли вместе со своим игуменом.
На реке Сить небольшая дружина князя Георгия ожидала подхода ратников от братьев и из других городов Владимирщины. Но подмога прийти не успела.
Князь Георгий, получив горестное известие, восплакал и стал готовиться к битве и смерти: «Пошли и мне, Господи, венец, какой стяжали мои родные и близкие». Вскоре русский лагерь был обнаружен корпусом темника Бурунтая и окружён. Дружина князя Георгия приняла бой и вся полегла в жестокой сече. Погиб в бою и князь Георгий. Он был обезглавлен, и его честная глава была отвезена Батыю. Через несколько дней митрополит Кирилл отыскал тело князя и перевёз его в Ростов, где похоронил с почестями.
В 1239 году князь Ярослав Всеволодович с торжеством перенёс останки брата во владимирский Успенский собор. В «Книге Степенной царского родословия» записано, что при погребении великого князя Георгия Всеволодовича «святая глава его тако совокупно прильпе к честному телеси его, яко ни следа видети отсечения на выи его, но вся составы целы и неразлучьны… Ещё же и рука его десная выспрь бяше воздеяна видети, еюже, яко жив, показуя подвиг своего совершение».
При вскрытии мощей в 1919 году очевидец подтвердил, что голова великого князя Юрия срослась с телом с небольшим смещением.
В 1645 году, при Патриархе Иосифе, были обретены нетленные мощи князя Георгия Всеволодовича и положены в серебряную раку. Имя его было внесено в православные святцы.
С 1795 года по распоряжению нижегородского вице-губернатора князя Василия Долгорукова, потомка Георгия Всеволодовича, в Нижнем Новгороде отмечают дату рождения основателя города.
По словам летописца, «Юрий украшен был добрыми нравами: старался исполнять Божии заповеди; всегда имел в сердце страх Божий, помня заповедь Господню о любви не только к ближним, но и к врагам, был милостив выше меры; не жалея своего имения, раздавал его нуждающимся, строил церкви и украшал их иконами бесценными и книгами; чтил священников и монахов».