Quando i Fiorentini ebbero avviso della risoluzione presa dai Pisani di continuare a difendersi, richiamarono dal Casentino Paolo Vitelli colla sua armata, e lo mandarono contro Pisa, che a loro credere non poteva fare lunga resistenza. Lodovico il Moro, sempre più atterrito dagli apparecchj di guerra che facevano i Francesi, come aveva eccitati i Fiorentini ad accettare l'arbitramento del duca di Ferrara, eccitava non meno i Pisani ad accomodarvisi, e faceva ogni sforzo per ristabilire la pace in Toscana, ed assicurarsi i soccorsi di quella provincia; ma non trovava chi gli credesse. Rammentavansi i Pisani, che sotto colore di proteggere la loro libertà egli aveva tentato d'insignorirsi della loro città; ed i Fiorentini lo avevano sospetto di covare tuttavia questi progetti, e d'incoraggiare segretamente i loro nemici a fare resistenza. Perciò gli uni e gli altri, chiudendo le orecchie a' suoi consiglj, ed abbandonando la Lombardia alle rivoluzioni che dovea destarvi una nuova invasione, ricominciarono le ostilità fra di loro con maggiore accanimento di prima.
Il 25 di giugno Paolo Vitelli si unì al conte Rinuccio di Marciano sotto Cascina, che fu subito attaccata con tanto vigore, che dopo 26 ore questa ragguardevole terra dovette capitolare[27]. Le deboli guarnigioni pisane che tuttavia occupavano la torre di Foce d'Arno ed il ridotto dello Stagno si ritirarono alla prima intima che venne loro fatta, onde più non restavano ai Pisani in tutto il loro territorio che la fortezza della Verrucola, e la piccola torre d'Ascagno. Invece d'attaccarle, Paolo Vitelli credette opportuno l'istante di cominciare l'assedio della stessa città. Il primo di agosto si avanzò a tracciare il suo campo sotto le mura di Pisa, seco conducendo tanta cavalleria che bastava anche sola a tenere la campagna, una formidabile artiglieria e diecimila pedoni. Fece sapere alla signoria di Firenze, che dietro i suoi calcoli l'assedio non poteva durare più di quindici giorni. Le mura di Pisa non erano circondate da fosse, nè sostenute da terrapieni, ma tanta era la grossezza loro e la tenacità del cemento, che ben potevano più d'ogni altra muraglia resistere ai guasti dell'artiglieria. I Pisani non avevano al loro soldo verun altro capitano forastiere che Gurlino Tombasi, valoroso ufficiale ravennate, che aveva abbandonato per loro il servigio de' Veneziani. Ma tutti gli abitanti della città, tutti i contadini, che vi si erano rifugiati, agguerriti da cinque anni di continue battaglie, potevano risguardarsi come non inferiori alle migliori truppe di linea[28].
Il Vitelli aveva collocato il suo campo alla sinistra dell'Arno, e piantate le batterie contro il muro attiguo alla torre o rocca di Stampace. Accampandosi sull'altra riva avrebbe più efficacemente prevenuto l'arrivo di ogni rinforzo; ma nella posizione in cui trovavasi in allora l'Italia, non credeva che veruna potenza pensasse a soccorrere i Pisani, e sapeva inoltre che questi dal lato di Lucca avevano internamente afforzate le loro mura, lo che non avevano creduto necessario di fare dal lato che guarda Livorno.
Si continuarono nello stesso tempo due attacchi, uno fra sant'Antonio e Stampace, l'altro fra Stampace e la porta a Mare, con venti pezzi d'artiglieria. Il Vitelli, fedele all'antica tattica italiana, nè volendo combattere senza essere sicuro di vincere, aveva determinato di non venire all'assalto finchè le brecce aperte dalla sua artiglieria non offrissero un libero passaggio alle sue squadre. Di già erano caduti larghi pezzi di muro, ma egli credeva che la breccia non fosse ancora praticabile; ed intanto i suoi indugj davano agio ai Pisani d'innalzare dietro la muraglia ch'egli batteva in breccia un gagliardo parapetto difeso da una fossa. L'ardore de' Pisani non era vinto da verun pericolo; l'artiglieria scopava i loro lavori, senza che le donne o i fanciulli lasciassero il badile. Due sorelle lavoravano assieme; una fu uccisa da una palla da cannone; l'altra, raccogliendo all'istante le sparse sue membra, le seppellì entro lo stesso gabbione che stava riempiendo, e nell'atto che le dava colle lagrime e coi singhiozzi l'estremo addio, proseguiva il suo lavoro, esposta al fuoco della stessa batteria che le aveva tolta la sua compagna[29].
Finalmente le mura che univano Stampace alle fortificazioni della città erano state abbattute dall'una banda e dall'altra di quella gran torre. Il conte Rinuccio era stato ferito in una scaramuccia; e Paolo Vitelli, rimasto solo al comando dell'armata, risolse il decimo giorno dell'assedio di dare l'assalto alla torre. Questa era già stata in più luoghi ruinata, e sebbene i Pisani opponessero un'ostinata resistenza, i Fiorentini inalberarono la loro bandiera sulla sommità della Stampace. Nel primo terrore cagionato da questo avvenimento credettero i Pisani che anche la città loro più non avesse riparo. Pietro Gambacorti fuggì per l'opposta porta verso Lucca con quaranta arcieri a cavallo che militavano sotto di lui, e la guardia del parapetto, che oramai formava la sola difesa della città, era atterrita ed in sul punto di fuggire: ma il Vitelli aveva ordinato soltanto di dare l'assalto alla rocca e non alla città. Era troppo contrario al suo carattere ed alla sua pratica militare il porre in pericolo un vantaggio di già ottenuto volendolo spingere più in là, e coglierne frutti che non si fosse prima proposto di conseguire. Temeva d'essere avviluppato in una città difesa da una valorosa popolazione, e fece ritirare i suoi soldati che aspiravano a dare un secondo assalto. Bentosto perdette per sempre la propizia occasione di cui non volle prevalersi. Moltissimi Pisani, che avevano cercato di nascondersi nelle proprie case, furono dalle loro mogli confortati a tornare contro al nemico, e rioccuparono la breccia coraggiosamente. La loro artiglieria fu diretta dalle vicine mura contro gli assalitori, e dopo la presa di Stampace si trovò che la città poteva ancora difendersi[30].
Il Vitelli aveva pensato di collocare una batteria sopra la stessa torre di Stampace, onde signoreggiare le opere degli assediati; ma la torre, di già ruinata dalle brecce fattevi da lui medesimo ed in appresso dai Pisani, non fu creduta abbastanza forte per sostenere i cannoni che di già vi aveva fatti portare. Intanto continuava a far battere in breccia le mura della città: vi era di già stata fatta un'apertura di cinquanta braccia, e non era ancora soddisfatto. Egli non voleva che i suoi soldati fossero esposti a verun pericolo, o piuttosto, come apertamente e concordemente lo dicevano i Fiorentini, egli non voleva prendere la città, ma desiderava di conservare il più che poteva gli onori e gli emolumenti del comando, di restare alla testa di potente armata per offrire il suo ajuto al miglior offerente tosto che le rivoluzioni di Lombardia determinassero una delle potenze in guerra a chiamare un nuovo condottiere, e forse a farsi pagare da' Pisani il prezzo della sua moderazione o della sua lentezza. Ma tali ambiziosi progetti vennero distrutti dalla natura. Nell'umido suolo del piano di Pisa le fosse sono d'ordinario piene d'acqua nella maggior parte della state; ma verso la metà d'agosto sono asciugate dal sole, i di cui raggi, percuotendo sulla putrefatta melma ne sollevano pestilenziali esalazioni. In due soli giorni la metà dell'armata si trovò assalita dalla febbre maremmana. Paolo Vitelli aveva dato avviso che il giorno 23 d'agosto darebbe l'assalto: la breccia era praticabile, ed il successo sarebbe stato sicuro, s'egli avesse potuto mettere in movimento un sufficiente numero di soldati per dare esecuzione a' suoi progetti; ma i suoi ufficiali, i commissarj fiorentini presso l'armata, ed egli medesimo, erano tutti presi dalla stessa malattia. Frattanto si diede ordine di spedire al campo nuovi rinforzi per abilitare il generale a dare nello stabilito giorno un assalto che doveva essere decisivo. Ma ogni loro diligenza tornò vana; il numero degli ammalati superava sempre quello de' nuovi venuti onde il Vitelli trovavasi sempre più inabile a fare uno sforzo vigoroso. Dietro alla siccità vennero le piogge calde, che invece di purgare l'aria accrebbero la mortalità. All'ultimo, perduta ogni speranza di buon successo, il Vitelli abbandonò l'assedio, e traslocò la sua armata a Cascina. Fece imbarcare sull'Arno la sua grossa artiglieria per mandarla a Livorno, e parte di questo convoglio cadde in potere de' Pisani. Malgrado le calde istanze de' commissarj fiorentini egli abbandonò la torre di Stampace, dichiarando che trovandosi così maltrattata dalle proprie batterie, non poteva difendersi, e che la guarnigione che vi lascerebbe sarebbe tosto fatta prigioniera di guerra[31].
Quanta era stata grande l'opinione de' Fiorentini ne' talenti militari di Paolo Vitelli, tanto maggiore fu il loro sdegno nel vedere il cattivo esito dell'impresa. Credettero che gli esagerati indugj e le precauzioni del generale non potessero essere che l'effetto della sua perfidia. Di già gli rimproveravano il salvacondotto dato al duca d'Urbino ed a Giuliano de' Medici per uscire da Bibbiena; avevano pure palesata molta diffidenza per le conferenze avute dal Vitelli collo stesso Giuliano e con Pietro de' Medici, sebbene fossero state pubbliche alla presenza di due armate, e stando gli uni sopra la destra, gli altri sulla sinistra riva dell'Arno. Ma dopo il colloquio il Vitelli aveva regalati i Medici; aveva tenuta una corrispondenza quasi egualmente sospetta con Pandolfo Petrucci, tiranno di Siena; era entrato in negoziazioni con Lodovico XII per prendere servigio sotto di lui, e tutto il complesso della sua condotta era oggetto de' pubblici sospetti e delle più gravi accuse. Altronde mantenevasi più che mai viva la gelosia tra il Vitelli ed il conte Rinuccio di Marciano, che aveva con lui divisi gli onori del comando. Il Vitelli si era strettamente legato colla fazione degli arrabbiati e coll'aristocrazia, che segretamente si ravvicinava ai Medici. Rinuccio per lo contrario aveva tutto il favore de' piagnoni e de' discepoli del Savonarola, i quali, avendo perduto il loro maestro, condannato a crudele supplicio, colsero avidamente l'occasione di vendicarsi contro la creatura e lo strumento del contrario partito[32].
Avendo il Vitelli condotta la sua armata a Cascina, chiedeva alla signoria di spedirgli sufficienti rinforzi onde ricominciare l'assedio tosto che cessassero le piogge. Infatti i Fiorentini gli mandarono altri soldati, di cui potevano fidarsi, sotto gli ordini di due commissarj, Antonio Canigiani e Braccio Martelli, ai quali i decemviri della guerra avevano dati segreti ordini. I commissarj recaronsi nella rocca di Cascina, posta dieci miglia al levante di Pisa sulla sinistra dell'Arno, dalla qual rocca il campo del Vitelli era lontano un miglio. Ma questo capitano, dietro invito de' commissarj fiorentini, si portò presso di loro a Cascina, e pranzò con loro. Vitellozzo Vitelli, fratello di Paolo, che pure era stato invitato allo stesso abboccamento, era rimasto ammalato al campo. Perciò i commissarj spedirono alcuni uomini fidati per arrestarlo. Di già Vitellozzo era stato senza rumore posto a cavallo, e veniva condotto alla volta di Cascina, quando, scontratosi in alcuni de' suoi uomini d'armi, uno di loro gli porse la lancia che portava, esortandolo a non si lasciar condurre come una pecora al macello. Vitellozzo la prese, e l'adoperò vigorosamente per liberarsi. Gli arcieri che lo conducevano, vedendo i soldati disposti a difenderlo, non osarono di provocare una più aperta resistenza, e lasciarono fuggire Vitellozzo, che salvossi in Pisa, dove fu ricevuto con trasporti di gioja. I commissarj fiorentini, cui era male riuscito il loro attentato contro di lui, fecero arrestare Paolo Vitelli e lo spedirono subito a Firenze, ove fu immediatamente posto alla tortura per cavargli di bocca la confessione de' tradimenti che gli venivano imputati. Non eravi contro di lui veruna prova autentica, veruna carta da lui scritta, ed i tormenti ch'egli sostenne con maschia costanza non gli estorsero alcun nuovo argomento di reità, alcuna confessione. Non pertanto fu condannato a morte, e questa crudele sentenza si eseguì la mattina del susseguente giorno, primo ottobre, in una delle sale del palazzo[33].