1219年秋，成吉思汗率20萬蒙古大軍出征花剌子模。花剌子模雖然擁有40萬軍隊，又有精良的武器、充足的物資儲備和堅固的城池，但軍心渙散，戰斗力不強。蒙古軍隊首先圍攻訛答剌城，不斷向城里發射石塊、火箭、毒箭。但訛答剌城墻高大堅固，守軍據險堅守，蒙古軍隊一時難以攻破。于是，成吉思汗留下兒子察合臺、窩闊臺繼續攻城，自己則親率主力進攻花剌子模軍事重鎮不花剌。
1220年2月，成吉思汗到達不花剌，蒙古大軍從三面包圍了城市。隨著成吉思汗一聲令下，蒙古大軍陣中炮石紛飛，成排的火箭射入城中。圍攻三天之后，守城的將領看到蒙古軍隊驍勇善戰，攻城很是兇猛，擔心城被攻破，趁著夜色率2萬士兵突圍。成吉思汗立刻派騎兵追擊敵軍，徹底殲滅了這支潰逃的軍隊。次日，不花剌城宣告投降。為了報復抵抗過蒙古大軍的不花剌軍民和為戰死的將士復仇，蒙古軍隊在掠取了不花剌的所有財物后，將這座美麗的城市付之一炬。不久，察合臺、窩闊臺也攻下訛答剌，他們抓到了下令殺害蒙古商隊的花剌子模將領，用酷刑處死了他，又在城里大肆殺戮，替被殺的商隊報了仇。
隨后，成吉思汗開始進攻花剌子模的新都撒麻爾干。為了抵抗成吉思汗，花剌子模國王摩訶末增修了工程浩大的壁壘，調集了十幾萬波斯和突厥士兵協助守城，還找來20只戰象助威。面對圍城的蒙古軍隊，花剌子模軍曾發動過幾次反擊，并出動了戰象，但是戰象卻被蒙古軍隊的火器所驚，掉頭沖入花剌子模軍中，結果花剌子模在首戰中慘敗。初戰失利后，花剌子模的士氣開始瓦解，城中士兵紛紛攜眷屬及輜重出降，貴族和僧侶也潛入成吉思汗軍營中商洽投降條件，并在得到蒙古人的承諾后開城投降。
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