成吉思汗攻克不花剌城后，即挥师向撒麻耳干城进军，在该城郊外扎营过冬，同时派人向术赤、察合台、窝阔台传令：率所部兵马就地休整过冬，于初春时节前来会师，共攻撒麻耳干城。

　　成吉思汗决定于1220年集中兵力，首先进攻花剌子模的新都撒麻耳干，然后进攻其旧都玉龙杰赤，继续歼灭花剌子模军队，洗劫这两个大城市的财富，给摩诃末统治集团以毁灭性的打击。

　　成吉思汗认为，即使这两座都城固若金汤，随征的炮军和能工巧匠也能将其攻陷。在围攻讹答剌城和不花剌城的战斗中，炮军、弩兵和工程兵已充分显示了自己的攻坚能力。他对此有很深的印象。

　　撒麻耳干，又名寻思干、邪米思干、薛米思坚，位于阿姆河和锡尔河之间，为富饶的河中首府，被誉为人间最美的天堂和乐园。该城原为西辽所有。1210年，摩诃末与屈出律共同出兵，瓜分西辽领土，将该城据为己有，后来将首都从玉龙杰赤迁至该城。

　　摩诃末调集11万精锐部队防守该城，其中6万人为突厥部士兵，由母后秃儿罕哈敦的弟弟秃孩汗（又作脱海罕）指挥；5万人为大食士兵（伊朗人）。他还为城防部队配备了20头大象，披着铁甲，可冲锋陷阵，掩护步骑兵进攻。他还动员10万居民参加修复、加固城防体系的工作，把四道城门的铁构件重新更换，把护城河挖得更深，并加高了城墙。守军严阵以待。

　　但是，当前方败退下来的将士描述讹答剌城和不花剌城被攻陷的惨状时，摩诃末就像乃蛮部的太阳汗战前听到札木合的描述一样，开始对成吉思汗和蒙古骑兵畏惧三分。一听说成吉思汗挥师东进，准备集中兵力进攻撒麻耳干，摩诃末就慌忙离开该城，向阿姆河以南撤退。他把当初对蒙古使者说的话“如果开战，愿意奉陪到底”早忘到一边去了。现在，撒麻耳干的城防司令是秃孩汗。

　　1220年3月，察合台、窝阔台、术赤和阿剌黑率领所部兵马，并押着战俘，先后赶到撒麻耳干，与成吉思汗的主力部队会师。

　　成吉思汗让部队在城郊休息了三天，然后依次开进到城下，将撒麻耳干团团围住。他计划集中炮军、弩兵和工兵同时进攻四个城门，掩护突击队登城和控制城门，并夺取吊桥。

　　察合台在围攻讹答剌城的战斗中积累了丰富的攻城经验，自告奋勇，要求指挥一线炮军、弩兵和工兵，打开缺口，为骑兵开辟进城的通道。成吉思汗马上批准了察合台的请求。

　　察合台组织炮手和能工巧匠，很快构筑了几十座高过城墙的土台，在土台上架设重型炮和床弩，集中射击城门处的墙头，破坏城垛，杀伤守军，并发射火箭和火药箭，焚烧楼橹和城中的街道。同时，他还组织工匠制作皮筏和木筏，搭载工兵和突击队及攻城器械，强渡护城河，逼近外城城墙，试图破坏城墙和城门，打开缺口。

　　撒麻耳干的守军非常勇敢，比讹答剌和不花剌城的守军厉害。他们不怕炮石和床弩射击，坚守城头，用弓弩射击强渡护城河的蒙军突击队，抛掷滚木和巨石，砸击攻城的蒙军工兵。他们还组织突击队实施反突击，杀出城外，击退渡河攻城的蒙军突击队。

　　成吉思汗急忙调集各部弓弩神射手，集中到护城河岸边，齐射出城突击的守军，将其击退，迫使他们缩回城里。

　　夜里，守军组织几千名敢死队，跟在20头大象后面，跨过吊桥，突袭蒙军。蒙军开始有些慌乱。成吉思汗命令部队网开一面，纵敌冲杀，同时命令博尔术和赤老温率兵左右夹击敢死队的后卫，争夺吊桥，然后将守军敢死队包围。察合台命令床弩兵发射粗箭和火箭，射击大象。大象受伤后，扭头就往回跑，发疯似地冲上吊桥，踩死踩伤不少守军的敢死队员，逃回城中。看守吊桥的军官见状，担心蒙军冲上吊桥，便不顾仍在对岸的敢死队员，立即收起吊桥。守军几千名敢死队员全被杀死。

　　守军进行了好几次这样的反突击，结果每次都是全军覆灭。成吉思汗针对守军敢死队实施反突击，命令部队稍许后退，引其追击，然后迅速切断其后路，将其包围，全部消灭。据说，成吉思汗用这种战术诱杀了5万名守军，沉重地打击了撒麻耳干城守军的士气。

　　察合台指挥的工兵在炮军、床弩兵和全军特等弓箭手的掩护下，已在多处挖开了城墙，并破坏了城门。守军疯狂反扑，堵上备用城门和城墙，阻止蒙军突击队入城。

　　此时，撒麻耳干城的守军开始灰心丧气。他们知道，城墙和城门迟早将被攻破。他们还惊恐地看到，蒙古骑兵正驱赶数以万计的同胞运送土石和树木，填塞护城河，护城河很快就将被填平。

　　突厥族士兵认为自己与蒙古人同种，如果投降，会被蒙古人当同胞对待。他们在秃孩汗的带领下，集体向城外的蒙古军队投降。

　　秃孩汗一投降，城内居民也只有投降。他们打开城门，欢迎蒙古骑兵进城。成吉思汗挥师进入外城，将居民押往城外，对外城进行了洗劫，然后切断供水线，迫使内城守军出逃。阿勒巴儿汗率一千多名敢死队员，冲出内城，杀开一条血路，乘乱逃出撒麻耳干城。内城守军残部退守清真寺，被蒙军全部烧死。

　　成吉思汗分兵遣将，肃清内城和外城，最后将临阵叛变的3万名突厥族将士和摩诃末的二十多名大臣全部杀死，从居民中挑选3万名工匠赏赐诸王和高级将领，还征发3万名壮丁作随军役夫，余者交纳20万第纳尔赎金后免死。契丹人耶律阿海被成吉思汗任命为达鲁花赤，镇守撒麻耳干城。

　　成吉思汗征服撒麻耳干城后，除令哲别、速不台和脱忽察儿各领1万精骑追击西逃的摩诃末外，余部休整人马，待秋高马肥时，再继续进攻花剌子模的旧都玉龙杰赤。他决定由术赤部和察合台、窝阔台部进攻玉龙杰赤，由术赤指挥；自与拖雷率中军西进，扫荡呼罗珊地区。他还许诺将玉龙杰赤划为术赤的封地。

　　成吉思汗忽视了西征前术赤和察合台的争吵，以为确定窝阔台为汗位继承人后，他们发了誓，彼此就和好了。实际上，察合台还在和术赤暗中较劲。他赌着气，憋着劲，一举攻克讹答剌城，把挑起战争的哈只儿汗活捉，交由成吉思汗处死，已经摘取西征的头功，出尽了风头。他并不愿意听从术赤指挥，更不愿意为夺取他的封地卖命，但出征前当众发过誓，不敢顶撞父汗的命令。

　　玉龙杰赤位于阿姆河下游的三角洲附近，土地肥沃，商业发达，是一个富庶繁华的大城市。该城本是花剌子模的首都。摩诃末迁都撒麻耳干后，母后秃儿罕可敦与后宫仍住在玉龙杰赤。她听到摩诃末逃往阿姆河以南的消息后，也立即率诸嫔妃、王子和后宫随从离开玉龙杰赤，逃往祃桚答而境内的城堡。

　　当时，驻防玉龙杰赤的花剌子模军有9万人。母后出逃时，没有任命留守统帅，守军一时群龙无首，首都出现混乱局面。1220年夏天，号称“铁王”的帖木儿灭里从锡尔河下游辗转逃回首都，向首都军民讲述了与蒙古人作战的惊险经历。玉龙杰赤的军民立即把帖木儿灭里当作英雄，推举他为统帅。帖木儿灭里当仁不让，立即采取果断措施，划分防区，部署部队，加固城防，稳定局势，准备迎击蒙古骑兵。

　　随着秋天的来临，经过休整的蒙古骑兵开始向玉龙杰赤集结，总数近10万人，其中术赤部近3万人，察合台、窝阔台部7万多人。成吉思汗还特派博尔术、术赤台等将领参加进攻玉龙杰赤的战斗。

　　术赤分兵遣将，首先对玉龙杰赤构成包围态势，然后派人进城劝告军民投降。他的使者对玉龙杰赤人说：“我大蒙古国大汗已将玉龙杰赤划为太子术赤的封地。太子陛下已统兵10万列于城外，希望这个城市完美无缺，免遭像讹答剌和不花剌城那样的屠城悲剧。太子陛下一片诚心善意，已经下令不许部队进城烧杀掳掠。太子陛下希望你们打开城门，主动投降！”

　　但是，花剌子模的军事贵族拒绝投降。他们知道，自己和部下即使主动投降，也会被杀光，因为他们不是平民百姓。他们推举母后的族人、康里部族军将领忽马儿的斤为诺鲁思王，即一日之王，由他统率全城军民抵抗蒙军。

　　察合台对术赤的招降之举嗤之以鼻。

　　术赤招降失败后，即部署各部强攻玉龙杰赤城。由于该城处于沙漠和沼泽地区，蒙军炮手找不到可供炮击用的石头，便在郊区伐桑树干，锯成一段段，用炮抛射守军。同时，他们强迫数以万计的俘虏日夜不息地运沙土，填塞城边的濠沟。10天后，濠沟被填平。蒙军驱赶俘虏在前面开路，工兵带着攻城器材随后，逼近外城城墙，以挖掘城墙，试图打开缺口。

　　守军用弓弩猛烈射击掘城的蒙古工兵，甚至不惜杀死走在蒙古工兵前面的同胞。蒙军炮军、弩兵和弓箭手猛烈还击，箭如雨下，桑树木横飞。双方伤亡惨重。

　　蒙军工兵利用轒辒车的掩护，终于在城墙下掘出一个个大缺口。蒙军突击队纷纷从这些缺口突入城中，与城头上的守军展开肉搏战。蒙古骑兵乘机冲入城中，追杀守军和街上的平民。

　　守军从城头撤往楼房中，继续用弓弩射击蒙军，并不时地冲出来实施反突击。术赤下令用石油喷火，把守军连同房屋一起烧毁。

　　经过长时间的反复争夺，蒙军才肃清了玉龙杰赤的东城。现在，他们必须夺取连接东城和西城的阿姆河大桥，横渡阿姆河，进攻对岸的西城。

　　术赤挑选了3000名蒙古勇士组成突击队去完成夺桥任务。他下达了死命令：若不夺取桥，就不许回营！

　　3000名蒙古突击队队员冲上桥头，击杀了少数守军，即跨过桥去。但是，当他们到达桥的中段时，玉龙杰赤守军组织的敢死队也冲过来了。这场短兵相接的厮杀在桥上持续了整整一个上午，双方伤亡惨重，不断有人从大桥上坠落河中。守军敢死队前仆后继，轮番上阵，将3000名蒙古突击队员全部消灭。

　　察合台质问术赤：为什么要在大白天去送死，而不在夜间去偷袭？术赤恼羞成怒，险些又要与这位老骂他是私生子的弟弟进行决斗。

　　察合台与术赤不和，导致部队纪律松弛，作战协同性很差，直接影响了战局的进展。现在，蒙军付出了巨大的伤亡代价，攻击了几个月，仍未征服玉龙杰赤城。

　　他们各自派人去向成吉思汗汇报，把目前的局面归咎于对方。成吉思汗听后大怒，派亲信前往玉龙杰赤传令：现在由窝阔台任进攻玉龙杰赤的总指挥，必须尽快攻克该城，不得有误！

　　窝阔台就任统帅后，设法缓和了两位兄长的怒气，重新调整兵力部署。他接受了博尔术将军的建议，派察合台率5万人马换乘快马，绕道阿姆河上游渡江，从西面迂回守军；术赤继续指挥争夺大桥的战斗，监视正面阵地。

　　窝阔台等了一个星期，等到察合台军挺进到西城西面，开始进攻西面的城门时，才令术赤部转入进攻。术赤继续组织突击队，分成数个梯队，携带猛火油柜和喷油筒，利用轒辒车掩护，登上大桥，用火喷射桥上的守军，轮番喷射，一码一码地向前推进，烧死烧伤守军敢死队员无数，终于推进到大桥西头，牢牢地控制了大桥，并向桥头两侧运动。术赤见大桥到手，即率领蒙古骑兵跨过大桥，向西城冲杀。

　　与此同时，察合台也组织强攻，突破城门，杀进城中。

　　西城军民在蒙军两方夹击之下节节败退，最后集中退往三个街区，派人求降。

　　术赤为蒙军伤亡惨重而怒火中烧，下令将城中居民和士兵赶出城外，把工匠、年轻妇女和儿童均分，兄弟三人各得一份，而将其余人统统杀死。最后术赤还派兵挖开河堤，引水灌城，将隐藏不出的平民和士兵全部淹死。繁华似锦的玉龙杰赤变成一片汪洋。

　　战后，成吉思汗对术赤三兄弟极为恼火，拒绝见他们，因为他们三人私分工匠、妇女、儿童和财富。术赤借镇守封地之机，拒不朝见成吉思汗。后经诸将劝解，他们父子才平息了分歧。不过，术赤开始疏远父汗和兄弟，率部驻扎在玉龙杰赤以北的草原，扫荡残敌，一心一意地经营自己的封地，未参加后面的进攻战役。察合台和窝阔台在征服玉龙杰赤后，没过多久便率部与正在阿富汗山区扫荡的成吉思汗会师。

　　在术赤、察合台、窝阔台挥师围攻玉龙杰赤期间，成吉思汗亲率军队扫荡了阿富汗山区的城寨，同时分兵由拖雷指挥，席卷了呼罗珊地区的城镇和绿洲。

　　攻克撒麻耳干城后，成吉思汗和拖雷率中军到达南面的奈撒夫绿洲，让战马饱尝那里丰盛的青草，恢复体力。他们在这里度过了1220年的盛夏，于初秋时节过铁门关（今乌兹别克拜松山布兹加勒山口）南下。成吉思汗抽调了一支精锐部队，交给拖雷指挥，向西南呼罗珊地区进攻。自率大军首先进攻阿姆河北岸的忒耳迷（今乌兹别克捷尔梅兹）。

　　忒耳迷城军民拒绝开门投降。成吉思汗部署部队，从四面八方发起强攻，11天后攻破该城，将全城居民和士兵赶出城外，全部杀死，洗劫了该城的财宝。然后，他分兵遣将，抄掠了附近的城寨。1221年初，他率部渡过阿姆河，进抵巴里黑城下（今阿富汗马扎里沙里夫西）。巴里黑城居民打开城门，欢迎成吉思汗的部队进城，并献上大批物品慰劳大军。不过，该城的居民后来还是没有逃脱被屠城的悲剧。成吉思汗担心花剌子模流亡贵族会利用该城作为抵抗中心，便以清查户口为名，将全城居民赶出城外，不分男女老少，全部杀死。成吉思汗征服巴里黑城后，开始了长达七个月的围攻塔里寒寨（今阿富汗木尔加布河上游之北）之战。该寨军民英勇顽强，利用有利地形，居高临下，挫败了蒙军一次又一次攻势。成吉思汗不得不要求拖雷回师，合力攻击，才将该寨攻克，杀死了该寨全部守军和平民。

　　拖雷与成吉思汗分兵后，带着7万人马渡过阿姆河，向呼罗珊地区绿洲中的城市发起一连串的攻势，相继攻克途思、奈撒（今土库曼阿什哈巴德东）、马鲁（今土库曼马里）、你沙不耳（今伊朗内沙布尔）、也里（今阿富汗赫拉特）诸城。拖雷攻占这些城市后，实施了可怕的屠城政策。据史籍记载，马鲁城军民有70万人被杀（另说130万人），该城被夷为平地。不过，在进攻你沙不耳城的战斗中，成吉思汗的女婿、拖雷的姐夫脱忽察儿被守军射死。他是成吉思汗西征时蒙军牺牲的惟一高级将领。他本来受命与哲别、速不台一起去追击摩诃末，但违令恋战攻城，被撤职，后被重新重用，率先遣队进攻你沙不耳。拖雷反攻，占领你沙不耳城后，下令将该城军民不分男女老幼，统统斩首。屠杀持续了15天，该城只有400名工匠幸免于难。大约在1221年夏天，拖雷才结束在呼罗珊地区的毁灭性攻击，被成吉思汗召回，合兵强攻塔里寒寨。