Τον Μάρτιο του 717 ανήλθε στον θρόνο της Κωνσταντινούπολης ο Λέων ο Γ΄, που θα αποδειχτεί ένας από τους ικανότερους βυζαντινούς αυτοκράτορες. Στην Πόλη όλοι γνώριζαν ότι οι Άραβες ετοίμαζαν νέα ναυτική εκστρατεία και είχαν λάβει από καιρό τα μέτρα τους ενισχύοντας όσο ήταν δυνατόν την άμυνα της.
Ήδη από τα χρόνια της πολιτικής κρίσης στο βυζαντινό θρόνο(715-717), ισλαμικά στρατεύματα, εκμεταλλευόμενα την ευκαιρία, είχαν εισβάλει στη Μικρά Ασία. Ο Άραβας στρατηγός Μασλαμά, αδελφός του νέου χαλίφη Σουλεϊμάν, κατέλαβε τις Σάρδεις και την Πέργαμο, διέβη τον Ελλήσποντο στο ύψος της Αβύδου και στις 15 Αυγούστου του 717 απέκλεισε με τον πολυάριθμο στρατό του τα χερσαία τείχη της Κωνσταντινούπολης. Την 1η Σεπτεμβρίου κατέφτασε στ΄ ανοιχτά της Πόλης ο συριακός στόλος και ένα μέρος του αιγυπτιακού, με 1800 πλοία σύμφωνα με τις πηγές, αποκλείοντάς την και από τη θάλασσα.
Οι εισβολείς θα συναντήσουν ισχυρή αντίσταση από τους Βυζαντινούς, η οποία στηριζόταν σε μεγάλο βαθμό στα πανίσχυρα τείχη της Βασιλεύουσας αλλά και στις ικανότητες του αυτοκράτορα Λέοντα. Ρόλο σημαντικό στην πολιορκία θα διαδραματίσει ο αυτοκρατορικός στόλος, που με τους σίφωνες εκτόξευσης υγρού πυρός θα αποκτήσει στρατηγικό πλεονέκτημα έναντι των εχθρικών πλοίων.
Σε ένα σημαντικό στιγμιότυπο της πολιορκίας, ενώ οι δύο αντίπαλοι στόλοι ελίσσονταν προκειμένου να καταλάβουν καίριες θέσεις για την επερχόμενη σύγκρουση, είκοσι μουσουλμανικά πλοία απομονώθηκαν και καταστράφηκαν από βυζαντινά πυρπολικά. Μετά από αυτήν την αποτυχία, ο εχθρικός στόλος δε συμμετείχε ενεργά στην πολιορκία,δυσκολεύοντας το έργο του Μασλαμά. Πέρα από τη χρήση του υγρού πυρός, τα βυζαντινά πληρώματα είχαν μεγαλύτερη ναυτική πείρα και γνώριζαν πολύ καλά το θαλάσσιο χώρο, τα ρεύματα και τους ανέμους της Προποντίδας και του Βοσπόρου, διαθέτοντας σημαντικό πλεονέκτηματα έναντι του εχθρού.
Ο χειμώνας του 717-718 ήταν πολύ βαρύς, ιδιαίτερα για τους μουσουλμάνους στρατιώτες που προέρχονταν από θερμά κλίματα και δεν άντεχαν το χιόνι και τον παγετό. Παρότι ο Μασλαμά είχε συγκεντρώσει στο στρατόπεδο του τεράστιες ποσότητες προμηθειών, λόγω του μεγάλου όγκου του στρατού του, τελικά αυτές δε εξαντλήθηκαν. Η πείνα και οι επιδημίες έφεραν μεγάλα προβλήματα στους Άραβες. Έξω από κεντρικό μέτωπο της πολιορκίας, ο βυζαντινός στρατός πέρασε στην αντεπίθεση και συνέτριψε τους Άραβες του στρατηγού Μαρντασάν που έδρευαν στη Βιθυνία, ενώ ο Λέων ο Γ΄ο Ίσαυρος κατόρθωσε να εξασφαλίσει τη συνεργασία των Βούλγαρων, οι οποίοι έπληξαν τους πολιορκητές από τα νώτα, επιφέροντάς τους μεγάλες απώλειες.
Την άνοιξη του 718 κατέφτασαν στην περιοχή οι ισλαμικοί στόλοι της Αιγύπτου και της Αφρικής. Ωστόσο μερικοί Αιγύπτιοι και Ρωμαιο-Λίβυες που υπηρετούσαν στα σκάφη τους, νοσταλγοί της βυζαντινής εξουσίας, αυτομόλησαν τη νύχτα στο βυζαντινό στρατόπεδο χρησιμοποιώντας λέμβους. Οι αυτόμολοι έδωσαν πολύτιμες πληροφορίες στον Λέοντα, σχετικά με τα κρησφύγετα των νεοφερμένων εχθρικών στόλων. Οι σιφωνοφόροι δρόμωνες των Βυζαντινών που στάλθηκαν εναντίον τους κατέκαυσαν τα εχθρικά πλοία. Μ΄αυτόν τον τρόπο χάθηκε και η τελευταία ελπίδα για την κατάληψη της Κωνσταντινούπολης από τους Άραβες.
Ο νέος χαλίφης Ουμάρ Β΄ ανακάλεσε ανακάλεσε τις εναπομείνασες δυνάμεις από την Κωνσταντινούπολη στις 15 Αυγούστου του 718. Κατά την υποχώρηση του ο ισλαμικός στόλος επλήγη από σφοδρές θαλασσοταραχές στην Προποντίδα και στο Αιγαίο πέλαγος με αποτέλεσμα πολλά πλοία του να βυθιστούν ή να αποκοπούν από το στόλο και να γίνουν λεία των Βυζαντινών πολεμικών. Οι Bυζαντινοί καταδίωξαν τα εχθρικά πλοία έτσι ώστε ελάχιστα κατάφεραν να φτάσουν στη Συρία. Οι αραβικές πηγές αναφέρουν ότι 150000 μουσουλμάνοι χάθηκαν κατά την αποτυχημένη επιχείρηση του 717-718. Ο αριθμός είναι υπερβολικός, ωστόσο έχοντας υπόψη το μέγεθος του στόλου και των χερσαίων δυνάμεων του Μασλαμά, του Μαρντασάν κ.ά. ίσως τελικά να μην απέχει και πολύ από την πραγματικότητα. Σε κάθε περίπτωση η βυζαντινή νίκη ήταν συντριπτική.
Δεκατέσσερα χρόνια αργότερα (732) οι Φράγκοι πολεμιστές του Καρόλου Μαρτέλου απέκρουσαν τους μουσουλμάνους εισβολείς στο Πουατιέ της νότιας Γαλλίας.
Οι δυο βυζαντινές νίκες κατά την πολιορκία της Πόλης και η φράγκικη νίκη είχαν κοσμοϊστορική σημασία για την Ευρώπη. Σύμφωνα με τον Βρετανό ιστορικό Πωλ Κ. Ντέιβις, «Αποκρούοντας την μουσουλμανική εισβολή, η Ευρώπη έμεινε σε χριστιανικά χέρια, και δεν απειλήθηκε ξανά σοβαρά από τους Μουσουλμάνους έως τον 15ο αιώνα. Η νίκη αυτή, μαζί με την νίκη των Φράγκων στο Πουατιέ (732), περιόρισε τη δυτική εξάπλωση του Ισλάμ στον κόσμο της νότιας Μεσογείου», ενώ η Ελληνίδα ιστορικός Ελένη Γλύκατζη-Αρβελέρ γράφει ότι «Εσωτερικοί λόγοι του μουσουλμανικού κόσμου και κυρίως το στρατιωτικό έργο των εικονομάχων αυτοκρατόρων εξηγούν την παρακμή των Αράβων. Κατά τον ένατο αιώνα η βυζαντινή εξουσία επιβάλλεται στην Ανατολή-οι Άραβες δεν θα μπορέσουν ποτέ πια ν’ απειλήσουν την Κωνσταντινούπολη».
Έτσι ο Βρετανός κλασικός φιλόλογος και ιστορικός Τζων Μπάγκνελ Μπιούρυ αποκαλεί το έτος 718 «οικουμενική χρονολογία», ενώ ο Σπυρίδων Λάμπρος παρομοίασε την πολιορκία με τη Μάχη του Μαραθώνα και αποκάλεσε τον Λέοντα Γ’ «Μιλτιάδη του μεσαιωνικού Ελληνισμού». Κατά τον Κωνσταντίνο Παπαρρηγόπουλο, η αποτυχία της πολιορκίας «υπήρξε μία των ευτυχεστάτων στιγμών του μεσαιωνικού ημών βίου» και ο Λέων ήταν «εις των ευεργετών της ανθρωπότητος». Ο Στήβεν Ράνσιμαν εξαίρει το έργο του Λέοντος, γράφοντας ότι «Οι Ίσαυροι ήταν πεπρωμένο να σώσουν την Αυτοκρατορία απ’ τους Σαρακηνούς και να ολοκληρώσουν τη μεταμόρφωσή της σε μια τέλεια αμυντική οργάνωση»,] ενώ κατά τον Τζων Τζούλιους Νόργουιτς, «ο Λέων Γ΄ έσωσε τον δυτικό κόσμο». Για αυτούς τους λόγους, οι σύγχρονοι ιστορικοί συχνά συγκαταλέγουν την πολιορκία ανάμεσα στις πιο κρίσιμες μάχες της παγκόσμιας ιστορίας.
Οι Άραβες δεν αποτόλμησαν πάλι να απειλήσουν σοβαρά τα ισχυρά τείχη της Πόλης, αντιλαμβανόμενοι την αδυναμία τους.