Византийский полководец с самого начала знал, что в эту свою вторую итальянскую кампанию ему придется несладко: Юстиниан дал слишком мало войск и совсем не дал денег. И все же с лета 544 г. ему в течение года удалось освободить Отранто и отстроить заново укрепления в Пезаро, который впоследствии выдержал решительную атаку готов. Но за это время он ясно осознал, насколько изменилась ситуация после его отъезда. Теперь уже не только готы были враждебно настроены к византийцам, но и практически все население Италии. С имевшимися у него войсками Велисарий мог бы лишь поддерживать имперское присутствие в Италии, но ему никогда не удалось бы отвоевать ее. В мае 545 г. он отправил с Иоанном письмо Юстиниану, где сообщал о крайней нужде в людской силе, лошадях, оружии и деньгах.

Император пошел навстречу своему полководцу. В конце осени Иоанн вернулся со значительными воинскими подкреплениями, в составе которых были как римляне, так и варвары. Совместное командование этой армией осуществлялось самим Иоанном и армянским военачальником по имени Исаак. Примерно в то же время войска Тотилы подошли к Риму и начали осаду.

Перед горизонтом вырисовывались довольно-таки мрачные перспективы. Тотила контролировал всю территорию между Римом и морским побережьем, его флот был уже подтянут к устью Тибра, а командующему гарнизоном Бессу не удалось сделать продовольственные запасы на случай серьезной блокады.

Велисарий разработал следующий план. В то время как Бесс отвлекающими вылазками вынуждал готов следить за выходами из города, часть армии Велисария пройдет вдоль южного берега реки, а остальные солдаты, разместившиеся на 200 судах, разграбят вражеский флот и затем поплывут вверх по течению – на помощь пехоте. Во время этой операции армянскому полководцу Исааку надлежало оставаться в устье реки. Под его наблюдением находились резервные полки, оставшиеся суда и – что не менее важно – Антонина, которая незадолго до этого прибыла в Италию, чтобы присоединиться к мужу.

И вот операция началась, но Бесс не предпринял со своей стороны требуемой активности. Невзирая на это, суда Велисария медленно продвигались вверх по реке, с их палуб летели потоки огненных стрел. Им удалось прорвать огромную железную цепь, которой Тотила перегородил Тибр, используя ее как дополнительную меру защиты, и византийские суда уже приближались к Риму, когда пришло известие, что Исаак захвачен в плен. По мысли Велисария, это могло означать только одно: готы предприняли внезапную атаку и отрезали византийцев от моря. Более того, если Исаак схвачен, то попала в плен и Антонина. Отменив атаку, Велисарий ринулся к побережью – и оказалось, что Исаак атаковал готский гарнизон в Остии, выказав вопиющее неповиновение приказам верховного главнокомандующего, и потерпел поражение. За исключением самого Исаака и сопровождавшего его отряда, никто, включая Антонину, не пострадал.

Последний шанс был упущен; стало ясно, что Рим не спасти. И все же город не сдавался. Однако 17 декабря 546 г. несколько византийских солдат-наемников, давно не получавших жалованья, открыли Асинарийские ворота и готы хлынули внутрь. Бесс и часть представителей римской знати бежали. Оставшиеся искали прибежища в церквях, пока в городе творились бесчинства. Наконец Тотиле удалось навести порядок и римляне вышли на улицы в поисках пищи. К счастью, победители достаточно быстро наладили снабжение города продовольствием. По словам Прокопия, от былого населения великой столицы осталось только 500 человек.