1220年5月，蒙古四路大军在新都撒马尔罕城下会师。撒马尔罕，现属乌兹别克斯坦。因其建立在泽拉夫善河南岸，又被称为河中府。西辽建立后，原以虎思斡尔朵（八剌沙衮）为都城，后来又以撒马尔罕为都城，建立东西二都。后来乃蛮部的屈出律伙同花喇子模推翻西辽政权，河中府一带即属花喇子模所有，摩诃末于是将首都从玉龙杰(今土库曼斯坦乌尔根奇) 迁都到撒马尔罕。
摩诃末为了守护首都，组建了11万的雇佣军负责守卫城池。其中六万为突厥人，首领为塔海汗；5万人为大食人（这里是突厥人对伊朗人的称呼，不是特指阿拉伯人）。并且连夜加固城墙，在城外修建了4-5道环形堡垒，作为首都的外部防御阵地，可以看出是要与成吉思汗决一死战之势。但是摩诃末的多疑和胆小毁掉了他原本胜利的信心。当得知成吉思汗大军顺利到达河中时，却慌张的离开了撒马尔罕，带领一部分军队逃跑了。国王的逃跑，军队的士气开始衰竭，撒马尔罕失败的命运已经注定了。
虽然国王临阵逃跑，但是蒙古大军在强攻撒马尔罕城却并不顺利。城里守将阿勒巴里汗和塔海汗领导十一万雇佣军抵挡住蒙古大军多次进攻，并将大象投入了战斗。在巨象的冲击下蒙古军队死伤无数，最后想出对付的办法，他们远远用弓箭射击大象没有被保护的部位，受伤后的大象疯狂，如同散落的棋子发疯的在军队中乱串，将本来在大象掩护下的士兵都死在了大象践踏之下。
经过8天的苦战，蒙古大军最终攻克撒马尔罕城。同时美丽的撒马尔罕城也遭到了严重的摧毁，推到了部分城墙，将古老的礼拜寺也付之一炬。城内投降的3万突厥雇佣兵包括首领脱海罕被赶尽杀绝。城中百姓也死伤无数，幸运的是没有被大批屠杀，成吉思汗只是从居民中挑选了3万名工匠和万名壮丁随军役夫。其余的军民交完赎金返回都城。 此役之后，花剌子模全境介被攻陷，只剩下旧都玉龙杰赤。成吉思汗遂命耶律阿海留守撒马尔罕城城内，命大将哲别、速不台率3万骑兵沿巴里黑（今阿富汗马札里沙夫西）追击摩诃末·苏丹；另派葛达黑那颜、牙撒兀儿到塔里寒（也称塔里干、塔里堪、塔力坚，今阿富汗东北部塔利甘）；以及派拖雷率7万骑兵，相即扫荡呼罗珊，支援哲别、速不台、脱忽察儿，平定为收复之地。最后命窝阔台率术赤、察合台进攻玉龙杰赤。