Cortés a fost atras de bogăţia şi civilizaţia aztecă, pe care o considera o sursă de glorie şi profit pentru coroana spaniolă. El a reuşit să se alieze cu unele dintre triburile indigene care erau nemulţumite de dominaţia aztecă, în special tlaxcalanii. Cu ajutorul lor şi al interpretei sale Malintzin, el a intrat în contact cu împăratul aztec Montezuma al II-lea, care l-a primit iniţial ca pe un oaspete de onoare.
Însă relaţiile dintre spanioli şi azteci s-au deteriorat rapid, mai ales după ce Cortés a luat prizonier pe Montezuma şi a încercat să-l folosească ca pe un marionetă. Aztecii s-au revoltat împotriva spaniolilor şi i-au alungat din oraşul lor capital, Tenochtitlan, într-o noapte cunoscută sub numele de Noche Triste (Noaptea Tristă). Cortés şi-a regrupat forţele şi a primit întăriri din Cuba. El a decis să asedieze Tenochtitlan, care era situat pe o insulă în mijlocul lacului Texcoco.
Asediul Tenochtitlan a durat trei luni, între mai şi august 1521. Spaniolii au folosit vase construite din lemn pentru a bloca accesul aztecilor la apă şi alimente. Ei au atacat oraşul din toate direcţiile, folosind arme de foc, tunuri şi cavalerie. Aztecii s-au apărat cu vitejie, folosind arme tradiţionale precum săgeţi, suliţe şi topoare. Ei au încercat să distrugă vasele spaniole şi să-i atace pe aliaţii lor indigeni. Însă au fost copleşiţi de superioritatea militară şi tehnologică a spaniolilor, precum şi de efectele devastatoare ale unei epidemii de variolă care i-a decimat.
Pe 13 august 1521, Cortés a capturat ultimul împărat aztec, Cuauhtémoc, care s-a predat după ce oraşul său fusese distrus aproape complet. Acesta a fost sfârşitul rezistenţei aztece şi al imperiului lor. Cortés a ordonat ca ruinele Tenochtitlan să fie nivelate şi să se construiască o nouă capitală colonială spaniolă pe acelaşi loc. Astfel s-a născut oraşul Mexico City, care până astăzi păstrează urme ale trecutului său aztec.
Căderea Tenochtitlan este considerată unul dintre cele mai importante evenimente din istoria universală, deoarece a schimbat radical destinul Americii. Ea a deschis calea pentru expansiunea spaniolilor în restul continentului şi pentru impunerea culturii lor asupra popoarelor indigene. Ea a însemnat, de asemenea, pierderea unei civilizaţii unice şi complexe, care avea o religie, o artă, o arhitectură, o ştiinţă şi o literatură proprii. Cucerirea Mexicului este astfel un exemplu al conflictului dintre două lumi diferite, care s-au întâlnit pentru prima dată în secolul al XVI-lea.