پس از بسته شدن دو جاده گیلان غرب (اول مهر 59) و سر پل ذهاب (دوم مهر 59)، قصر شیرین کاملا محاصره شد و توان مدافعان شهر نیز به علت نرسیدن مهمات و نیرو تحلیل رفت.
آخرین مدافعان شهر در سوم و چهارم مهر از حلقه محاصره خارج شدند و به این ترتیب ارتش عراق روز پنجم مهر 1359 شهر را به طور کامل اشغال کرد در حالی که عده ای از مردم موفق به ترک شهر نشدند و در خانه های خود محبوس بودند.
ارتش عراق پس از اشغال قصر شیرین مردم شهر را در مسجد مهدیه شهر جمع کرد. نیروهای عراقی در اقدام بعدی جوانان و مدافعان باقی مانده در شهر را شناسایی کردند و به اسارت بردند و پس از آن زنان، کودکان و پیران را با پای پیاده از شهر و خانه های خود اخراج و راهی بیابان کردند.
قصر شیرین در تیر 1361 در جریان عقب نشینی تاکتیکی ارتش عراق از اشغال خارج شد، در حالی که به جز مسجد مهدیه بقیه شهر به طور صد در صد تخریب شده بود.
