Osmanlı İmparatorluğu 1638’deki keşif seferinin ardından Azak Kalesi üzerine sefer planlarını 1639’da Safevîler’le yürütülen Kasr-ı Şirin Antlaşması müzakereleri, 1640’ta ise IV. Murad’ın ani ölümü nedeniyle 1641’e erteledi.1641 Mayıs’ında Serasker Deli Hüseyin Paşa komutasındaki Silistre eyalet askerleri, Kırım Hanı I. Bahadır Giray Kırım atlılarıyla ve Kefe Beylerbeyi Yusuf Paşa yeniçerilerle karadan kalenin kuşatmasına katılırken, Kaptan-ı derya Siyavuş Paşa da Tersâne-i âmire kethüdası Piyale Kethüda ve Yeniçeri ağası Haydar Ağazadeyle birlikte Osmanlı donanmasıyla Karadeniz’e çıktı. Siyavuş Paşa komutasındaki donanma Taman Kalesi önünden geçerek Balısıra Limanı’nda demir attı. Ancak, bu limandan sonra deniz sığ olduğundan kadırga ve şaykaların Azak’a yaklaşması mümkün olmadı ve tüm cephane ile hafif mühimmat arabalarla Azak Kalesi’nin önüne götürüldü. Yine donanmanın yardımıyla, 34 balyemez topuyla mücehhez Anadolu, Karaman (eyalet) ve Rumeli eyalet askerleri de kuşatmaya katıldılar.7 Haziran 1641’de Azak Kalesi önlerine ulaşan Deli Hüseyin Paşa komutasındaki Osmanlı birliği kale önünde kazdığı siperlere girerek (ilkbahar boyunca ulaşan takviyelerle birlikte) yaklaşık 6.000 kişilik Kazak garnizonu tarafından savunulan kaleyi kuşattı. 7-8 Haziran gecesi Don nehri üzerinden gelen 10.000 kişilik bir Kazak ordusuyla mücadele edildildikten sonra, 8 Haziran sabahı nehir tarafından kaleye bir daha takviye gelmemesi için nehrin üzerine bir karakol kuruldu. Osmanlı ordusu, kaleden yapılan top atışları nedeniyle bir top menzili uzakta konaklarken, 9 Haziran’da Deli Hüseyin Paşa 12 balyemez topla taarruza hazırlandı. Aynı gün Siyavuş Paşa da 100 sandalla karaya asker çıkararak metrise girdi, ince gemiler (firkete) ise, Don nehri taraflarını korumaya aldı.Osmanlıların teslim olunması yönündeki teklifinin Kazak garnizonunca reddedilmesi üzerine, kale yedi gün şiddetli top ateşine tutulduktan sonra açılan gediklerden Osmanlı askerleri taarruza geçtiyse de, üç gün boyunca süren göğüs göğüse çarpışmalardan sonra püskürtüldüler.Bu taarruzun âkim kalmasından sonra, 4.000 Kazak 40 firkete ile Don nehri üzerinden kaleye yardım ulaştırmaya çalıştıysa da, pusuda bekleyen Silistre Beylerbeyi Kenan Paşa, balyemez toplarla bu gemileri top atışına tutarak batırdı ve camlı kurtulabilen az sayıdaki Kazağı esir aldı. Bunun üzerine Kazaklar firketelerle yardım göndermekten vazgeçti ve her gece 500-600 Kazak, Don Nehri’ne dalıp karanlık gecede binlerce gözcü arasından ağızlarında birer kamışla nefes alarak yüzmek suretiyle Azak Kalesi’ne ulaşmaya çalıştı. Bu şekilde garnizon kuvvetlenmeye devam etti.Kazaklar, Osmanlıların kalenin surları hizasında inşa ettikleri toprak metrisleri engelledikleri gibi, lağım patlatmak suretiyle metrisleri havaya uçurdular. Buna mukabil, daha uzağa kurulan metrislerden 16 gün boyunca bombardımanı sürdüren ve 17 lağım patlatan Osmanlı ordusu barut sıkıntısı çekmeye başladı.İstanbul’dan gönderilen barutun Azak’a 40 günde ulaşması nedeniyle bombardımanın da şiddeti de azaldı. Barutun ulaşmasıyla yeniden başlayan bombardımanının ardından 19 Eylül’de genel taarruza geçen Osmanlı ordusu bazı ilerlemeler kaydettiyse de 2.000 kayıp vererek geri çekilmek zorunda kaldı.Gerek kış mevsiminin yaklaşması gerek Rus ordusunun bölgeye gelmekte olduğu dedikodusu nedeniyle 20 Eylül’de yapılan savaş meclisinde kuşatmanın kaldırılması kararlaştırıldı ve Osmanlı ordusu donanmayla birlikte İstanbul’a döndü.