Miután április 26-án, Komárom mellett a honvédek megfutamították a Schlik és Haynau által vezetett osztrák főerőket, adva volt a kérdés, hogy az eredményes tavaszi hadjárat hogyan folytatódjon. Egyik lehetőségként az osztrák csapatok üldözése merült fel, de ezzel az előrenyomuló magyar csapatok számos kockázatot vállaltak volna, hiszen a korábban aratott győzelmek egyike sem volt megsemmisítő erejű.
A másik lehetőség az ősi főváros, a Hentzi által védett Budavár visszafoglalása volt. Ez nem ígérkezett nehéz feladatnak, hiszen a kor haditechnikájához mérten a budai védművek már elavultak, ráadásul a honvédek nyomasztó fölényben voltak a körülbelül 5000 fős osztrák védőkkel szemben. Buda visszafoglalását Kossuth Lajos politikai okokból – a nemzetközi visszhang és a közvéleményre gyakorolt hatás miatt – is szorgalmazta, így április 29-én a feldunai hadsereg nagy része megindult Buda felé, hiszen a főváros az ország szuverenitásának szimbóluma volt.
A magyar sereg zöme május 4-én érkezett a fővároshoz, létszáma mintegy 31 ezer főt tett ki. Kmetty György hadosztálya még aznap rohamot kísérelt meg a vár ivóvízellátását biztosító vízmű sáncai ellen, de visszaverték, s a magyar tüzérség is hiába lőtte kis kaliberű tábori lövegeivel a Sváb-hegyről és a Nyárs-hegyről a vár falait. Kiderült, hogy a védők erejét alábecsülték, a remélt gyors és látványos győzelem elmaradt.
A módszeres ostrom május 12-én kezdődött, amikor megérkeztek a nehéz ostromágyúk, amelyeket a fővezér Görgei Artúr hozatott Komáromból. A hadsereg tüzérparancsnoka, Psotta Móric alezredes irányításával megkezdődött a réstörő és az ezt fedező ún. leszerelő ütegek helyének előkészítése és fedezéket készítettek a tábori ütegeknek is. A védők figyelmét a gyalogság látszattámadásaival terelték el és időről-időre lőtték a várat.
A budai várőrség parancsnoka, Heinrich Hentzi tábornok nehézágyúival kíméletlenül lőni kezdte Pestet, a katonai szempontból értelmetlen bombázás sok civil életét követelte és porig rombolta a pesti Duna-sort. Május 16-án reggel megszólaltak a magyar sereg ostromágyúi is, amelyek hatalmas rést törtek a várfal nyugati és délnyugati részén, a Fejérvári kapu környékén. 17-ére virradóra a honvédsereg támadásra indult, de a még túl magasan levő résen át a nem tudott behatolni a várba.
A döntő roham május 21-én hajnalban kezdődött, először hajnali négy óra körül az I. hadtest a Krisztinaváros felől támadó csapatai jutottak be a várba. A Szent György térrel szemközti falakat egy önkéntesekből álló század mászta meg, majd a 47. honvédzászlóalj katonái is benyomultak a várkertbe, ahol a velük szemben álló olaszok letették a fegyvert. A támadás visszaverésére induló Hentzit halálos lövés érte, katonáit szuronyroham vetette vissza.
Ezzel egy időben a Bécsi kaput és a Vérmező felé eső sarokbástyát támadó III. hadtest is betört, nem sokkal később a Kmetty-hadosztály elfoglalta a vízivárosi vízmű sáncait. Hentzi helyettese, Alois von Alnoch ezredes megpróbálta felrobbantani az aláaknázott Lánchidat, de csak ő veszítette életét, a híd alig rongálódott meg. A királyi várba visszavonult császári csapatok reggel hét órakor letették a fegyvert.
Az ostrom során a császári sereg négy zászlóalját vesztette el (került hadifogságba). Ezek közül kettő olasz legénységű sorzászlóalj, a másik kettő pedig horvát legénységű határőrzászlóalj volt, akik csak akkor tették le a fegyvert, amikor már kilátástalan volt a helyzetük. A győzelem 370 magyar honvéd életét követelte, 670-en sebesültek meg.
Az 1849. május 21-i diadalmas budai bevonulás a szabadságharc egyik legdicsőbb pillanata volt, melyet ugyanakkor később számos történész és szakértő a helyzeti előny és az idő elpocsékolásaként értékelt. A fényes győzelmet egyébként később maga Görgey is egyik legnagyobb taktikai hibájának minősítette. Ebben az esetben felmerül a történelmietlen kérdés, hogy milyen egyéb célt tűzhetett volna maga elé a Magyarország területének nagy részét felszabadító honvédsereg.
Másfelől minden spekuláció haszontalan, ugyanis éppen Buda elfoglalásának napján találkozott Varsóban Ferenc József császár I. Miklós (ur. 1825-1855) orosz uralkodóval, hogy segítséget kérjen tőle a magyar szabadságharc leverésére. A Paszkievics herceg vezetésével hamarosan meginduló, 200 000 fős haderőt mozgósító intervenció olyan körülmény volt, mely a magyar tervektől függetlenül a császári hatalom javára döntötte el a küzdelem sorsát.
