Из Суры Хосров неспешно двинулся далее на запад, и вскоре стало очевидно, что теперь его целью был великий город Антиохия. Юстиниан направил туда своего племянника Германа с небольшим отрядом из 300 воинов, чтобы укрепить оборону. Как и Рим, Антиохия была окружена длинными стенами, и они в целом были в хорошем состоянии. Но, к сожалению, было там и слабое место, где над стеной высилась скала, с которой нападающие могли попасть на укрепления. Обсуждались самые разные решения, в том числе и строительство на утесе башни, соединенной со стеной, но стало ясно, что завершить работы до подхода Хосрова не удастся. А неоконченная стройка сразу подсказала бы Хосрову, где именно в обороне города можно пробить брешь.
К тому времени Хосров был уже в Иераполе, в четырех днях пути от Антиохии. Там его встретила антиохийская делегация во главе с епископом Берои и умоляла пощадить город. Нехотя Хосров сказал, что готов принять выкуп в 100 000 золотых слитков. Но это условие было отклонено Германом, к которому только что прибыли из Константинополя посланники, передавшие приказ Юстиниана не давать противнику никаких денег. Хосров продолжил свое продвижение, захватил и разграбил город Берою, и в июне 540 года, менее чем через месяц после того, как Велизарий захватил Равенну, персидская армия раскинула свои шатры на реке Оронт у стен Антиохии. К тому времени городской гарнизон пополнился 6000 воинов, так что жители были уверены, что сумеют выдержать осаду. Они собрались на стенах и выкрикивали оскорбления в адрес Хосрова, а персидского посланника, который был отправлен к ним с предложением заплатить выкуп, забросали градом стрел. И Хосров отдал приказ атаковать город.
Он сам повел свои войска и основной удар решил нанести именно по тому уязвимому месту, которое легко определил и без помощи византийцев. Гарнизон сосредоточил там лучших воинов, которым помогали молодые горожане, имевшие опыт боевых столкновений между «синими» и «зелеными». Поэтому сначала атака персов не увенчалась успехом, и им не удалось воспользоваться нависающей над стеной скалой, однако потом несчастный случай подорвал оборону. Для того чтобы сконцентрировать как можно больше людей на этом участке стены, защитники соорудили несколько деревянных платформ, подвешенных на веревках между крепостными башнями. Это значительно расширило пространство за стеной, и на нем скопилось большое количество защитников, стрелявших в персов. Но в результате произошла катастрофа. Те, кто услышал грохот, однако не смог понять, что вызвало его, предположили, что часть стены рухнула, и покинули свои посты. Некоторые вскочили на лошадей и помчались на другой конец города, чтобы бежать через ворота на противоположной стороне, но улицы заполнились толпами женщин и детей, которые, услышав шум, в страхе выбегали из своих домов. Многие из них были затоптаны бегущими воинами. Между тем персы воспользовались брешью в обороне, чтобы приставить к стене лестницы и попасть внутрь. Но они не вошли в город сразу, потому что просто не могли поверить, что можно вот так просто захватить третий по величине город Византийской империи. Они решили, что это какая-то ловушка. Поэтому персы начали показывать оставшимся византийским воинам, что те могут бежать и их не станут преследовать. Многие приняли предложение, и, в то время как персы входили в Антиохию с одной стороны, поток солдат и мирных жителей выходил с другой. Лишь уверившись, что гарнизон защитников покинул город, персы решились занять центр Антиохии. Сопротивление они встретили не от солдат, а от молодых членов команд болельщиков, вооруженных в основном только камнями. Однако те действовали с таким ожесточением, что персы поначалу отступили, но хорошо вооруженные, профессиональные солдаты просто обязаны были взять верх, и в конце концов сражение превратилось в бойню. Изничтожив юных метателей камней, персы повернули оружие против всех, кто остался в городе, не щадя ни стариков, ни детей. Потом началось мародерство. Будучи зороастрийцами, персы не испытывали ни малейших угрызений совести, грабя церкви. Хосров довольствовался тем, что взял лишь из одного храма, поскольку там оказалось более чем достаточно золота, серебра и полированного мрамора, а остальные он оставил своим людям. Когда все, что можно было увезти с собой, собрали, он приказал поджечь город.