Para el tercer asedio, Totila procuró no cometer los mismos errores del pasado. Primero intentó capturar Roma simplemente asaltando las murallas y agotando la pequeña guarnición romana de 3 000 hombres, pero fue en vano. Totila, viendo que asaltar las murallas era algo ineficaz, decidió bloquear la ciudad y matar de hambre a los defensores, en lugar de perder más de sus propios soldados. Totila sabía que el bloqueo podría tomar meses o años, pero estaba en una posición mucho mejor que en el anterior intento de asedio y decidió que era la mejor elección. El comandante bizantino Diógenes había previsto la acción por lo que almacenó una gran cantidad de alimento y mejoró las murallas de la ciudad para prepararse de un bloqueo de larga duración.
Totila, consciente del hambre y maltrato que sufrían los soldados romanos por parte de Justiniano, les propuso una elección. Abrir las puertas de la ciudad, entregarla, y pagar una fuerte suma de dinero, al igual que había hecho la guarnición anterior durante el segundo asedio, o seguir luchando por Justiniano, que no había pagado a sus hombres en años, y ser asesinados. Algunos de los soldados decidieron ponerse del lado de Totila y abrieron la puerta a los godos. Los hombres de Totila entraron en la ciudad y destruyeron la desprevenida guarnición romana. Recorrieron toda la ciudad, matando y saqueando todo excepto a las mujeres, debido a las expresas órdenes de Totila de respetar a las mujeres romanas. Totila, esperando que los nobles y el resto de la guarnición huyeran tan pronto como fueron atravesadas las murallas, había puesto trampas a lo largo de las carreteras a las ciudades vecinas que aún no estaban bajo su control. Tal y como lo esperaba muchos romanos fueron sorprendidos por emboscadas mientras huían de Roma. Solo unos pocos, incluyendo Diógenes, el comandante romano, lograron escapar de la ocupación de Roma y las emboscadas.
En asedios anteriores Totila quería simplemente destruir a Roma, pero tras las súplicas de los habitantes entendió la importancia de la ciudad. Con la captura de Roma, Totila decidió repoblar, reconstruir y defender la ciudad contra todos los ataques futuros de Justiniano.
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