Hyökkääjät valtasivat irakilaisen armeijan kenraalin mukaan maanantaina hallituksen aluehallinnon päämajan, sotilastukikohdan ja lentokentän.
Lisäksi heidän kerrotaan vapauttaneen satoja vankeja kolmesta vankilasta ja polttaneen poliisiasemia.
Noin 150 000 ihmisen arvellaan paenneen Mosulista. Kaupungissa on kaksi miljoonaa asukasta.
Sotilaiden ja poliisien kerrotaan riisuneen univormunsa ja paenneen, kun hyökkääjät olivat kovaäänisillä ilmoittaneet tulleensa vapauttamaan kaupungin.
Irakilaisten armeijalähteiden mukaan turvallisuusjoukot saivat käskyn perääntyä sen jälkeen, kun sotilastukikohta joutui kapinallisten käsiin.
Mosulia ympäröivä Niniven maakunta on myös islamistien hallinnassa.
Irakin pääministeri Nuri al-Maliki on vastannut hyökkäykseen pyytämällä parlamenttia julistamaan hätätilan.
Lähteet: France24, BBC, Yle