這種分兵禦敵的戰略造成了這樣一種局面：儘管花剌子模軍隊總人數多於蒙古軍隊，處於優勢，但每一個要塞守軍的人數卻又少於蒙古軍隊，處於劣勢。據說這一錯誤策略是因為摩訶末死裡逃生的心理後遺症所致，不敢野戰。本來應該有的一場獅虎相鬥，就這樣消失於無形之中。
另一個對花剌子模軍隊不利的因素就是此時的花剌子模統治集團內部矛盾十分尖銳，軍事貴族和太后勢力結合，構成對國王摩訶末的嚴重威脅。爭權奪利的鬥爭，使他們不能團結一致，共同抵抗蒙古軍的進攻。
成吉思汗從錫爾河中游的訛答剌附近進入花剌子模境內。成吉思汗分兵四路向花剌子模大舉進攻。他一面派二兒子察哈台、三兒子窩闊台攻打訛答剌城，一面派大兒子朮赤攻打錫爾河下游各城鎮，自己則和拖雷統率主力部隊，橫越沙漠，直趨西南方的不花剌(今布哈拉)城。
在察哈台和窩闊台攻打訛答剌城方面，由於守城的是殺害蒙古商人的亦納乞克，蒙古軍異常勇猛。經過5個月惡戰破城，曾經殺掉蒙古商人的亦納乞克知道求生無望，儘管刀槍盡折，仍然用磚頭以死相拼。被擒後，成吉思汗命令化銀灌其耳目，為被殺蒙古商人報仇。
成吉思汗和拖雷的主力部隊則攻打不花剌城。不花剌是這個穆斯林世界的最大的城市之一。它包括三部分：城堡（周長一公里半），不花剌本城（狹義上的不花剌，即內城）和郊區（外城）。同其他多數城市相反，這個城市的城堡不是建在內城以內，而是建在內城以外。本城建在城中心的一個台地上，周圍有城牆，有集市門，香料商門，鐵門等7個城門，每個城門的名字都足以引起人們的聯想。一些著名的清真寺吸引著信徒們。
蒙古軍的到來對於這樣一座城市來說是經受不住的。大兵壓境，兵來如山倒，不花剌城的突厥守軍被成吉思汗軍隊的陣勢所驚呆。於是無心戀戰，一心只求保命，企圖突破圍城的防線而逃跑，結果自然是城破人亡。不花剌城被很輕易的攻破了。
蒙古軍隊士氣大振，在成吉思汗的率領下從不花剌浩浩蕩蕩進軍撒麻耳干，恰好此時，察合台和窩闊台的軍隊也開到了城下，於是兩股大軍匯合共同攻城。花剌子模國國王摩訶末以10萬軍隊守城，撒麻耳干居民（有一部分仍是伊朗人）在國王的帶領下也勇敢地進行了反擊。善戰的摩訶末也不是等閒之輩，成吉思汗一時也束手無策。