占领不花剌城后，成吉思汗派人向前去征服讹答剌及其他城镇的术赤、察合台、窝阔台传令，驱赶着各自的“哈沙儿”队前来会师，共同商议攻伐河中府撒马耳干城的具体事宜。至此，短短几个月的时间，成吉思汗成功实现了剪除羽翼、扫清外围的战略方针，不但充实了蒙军力量，而且成功地利用花剌子模的人力、物力，采用借兵于敌的英明决策，堪称军事上的奇迹。
现在失去屏障的撒马耳干城陷入孤立无援的境地，像一头形影相吊的巨兽，孤注一掷，正遭到一群潮水般不断涌来的群狼围攻。
修建在泽拉夫尚河谷地上的撒马耳干，亦称寻思干、薛迷思干，今撒马尔罕城，乃乌兹别克斯坦第二大城市，位于阿姆河与锡尔河之间，被誉为“肥沃的土地”。在城郊开凿了网络稠密的水渠，引自泽拉夫香河水加以灌溉，密布的水渠网为整个地区提供了充沛的水源，使之拥有“石如珍珠，土若麝香，水似醇酒”的肥沃土地，以延续辉煌灿烂的绿洲文明。该城是一座宏伟壮丽的城市，街道两侧华丽雄伟的殿堂鳞次栉比。耶律楚材说：“寻思干者西人云肥也，以地土肥饶故名之。”
关于撒马耳干最早的记载可追溯到公元前5世纪，善于经商的粟特人把这里建造成一座美轮美奂的都城。公元前4世纪，当马其顿帝国的亚历山大大帝攻占该城时不禁赞叹说：“我所听说到的一切都是真实的，只是撒马耳干要比我想象中更为壮观。”
1210年，摩诃末与屈出律合兵推翻西辽后，该城一度为花剌子模所有，后来摩诃末将首都从玉龙杰赤迁至该城。
当蒙军铁骑涉足花剌子模国境时，国王摩诃末便将撒马耳干作为军事防御的核心设施。虽然城内守军多如繁星，为防患未然，摩诃末又调集十一万重兵据守该城，其中六万突厥人，由母后秃儿罕哈敦的弟弟秃孩汗统领，另外五万为大食人（伊朗人）。全是国王摩诃末在花剌子模国中精心挑选的精锐之师。不仅如此，他还为该城守军配备了二十头貌似凶神的战象。这些战象力大无穷，轻轻一卷，就能把一棵大树连根拔起。身披花花绿绿的铠甲，能在冲锋陷阵时，掩护步兵的人身安全。
重兵据守，又有象军助阵，为有备无患，摩诃末仍不敢掉以轻心，又督促十万居民和守军一起加固城防，加高城墙，挖深护城河，更换四扇城门，并在城外加筑了若干条外垒防线。就屯兵布防而言，撒马耳干城可谓铜墙铁壁，坚不可摧，号称为“难攻不落之城”。为了支持撒马耳干城的保卫战，国王摩诃末下令预征了三年的税赋，横征暴敛导致百姓怨声载道，苦不堪言。
蒙军抵达讹答剌时，撒马耳干城修缮城池和外垒，以及拥有海量驻军和战象的消息，已四下传开。大家都一致认为，攻占该城需要成年累月的时间，且不说它拥有坚固的内堡了。但是，成吉思汗反复告诫众将：“什么城墙！城墙的强大，只有赖于防御者的勇敢才行。”
成吉思汗坚信通过随军而载的火炮和床弩等大型器械，不日便能将该城攻破。在围攻讹答剌城和不花剌城的战斗中，日渐成熟的蒙军工程兵彰显出所向披靡的攻坚力量。连金国都城中都都阻挡不了蒙军的铁蹄，况且一个小小的花剌子模首都撒马耳干。对成吉思汗来说，撒马耳干已是囊中之物，唾手可得。
从撒马耳干军事防御软件和硬件设施上来看，有重兵据守，加之城高池深，真可谓固若金汤，无力可摧。但是，国王摩诃末的心理防线已在成吉思汗的军威面前不攻自破。然而，信心是一个阵前将士能否取胜的关键因素。
当前方败下来的将士，向国王摩诃末描述了讹答剌城和不花剌城被攻陷的惨景时，摩诃末就像乃蛮部的太阳汗闻听札木合绘声绘色的描述一样，尚未交锋，便对成吉思汗的铁血手段和蒙古的虎狼之师已胆怯三分，竟然不敢轻易出战。
据史书记载，摩诃末笃信命运，星相家们告诫他，在厄运的星宿没有走掉之前，为谨慎起见不宜对蒙军采取任何军事行动，“星相家们这些话也是使他的事业更加陷于紊乱的原因之一”。兼听则明，偏信则暗，此言不虚。面对压境的蒙军，他脑海中充塞的慌乱和忧愁已使他的思维险些短路，不能做出正常的判断。在理智不健全的情况下，他在布阵列兵时，做出被动挨打的架势，分兵驻守各个堡垒，各自为战，相互之间组织不成一个有机整体，因为行动不一致便给蒙军留下各个击破的良机。
最为要命的是，摩诃末的畏战情绪没有藏匿在内心深处，而是在光天化日之下暴露无遗，使守军和居民大为沮丧，抗战士气一蹶不振。
有一天，摩诃末去撒马耳干的防御工事巡视时，见城壕与护城河之水相连，以为聋子的耳朵摆设，竟信口开河说：“前来攻伐我们的蒙军，只要扔下他们的马鞭，这条壕沟将会被夷为平地。”
在视察黑沙城的防御工事时，居然又对百姓们散布谣言，说：“自谋活命之计吧，蒙军是无法抵抗的！”
大长蒙军志气，大灭自己威风的言论，像瘟疫一样在军中迅速蔓延开来。撒马耳干城中军民抗战的情绪一落千丈，还未真正与蒙军交锋，该城内便笼罩着一种消极悲观的厌战阴影。什么誓守此城，什么与蒙军决战到底，都统统见鬼去吧，赶紧活命要紧。
当蒙古西征军已涉足河中地区的消息传至撒马耳干时，摩诃末甚至凭借第六感感觉到蒙军铁蹄踏及地面时所造成地动山摇的气势，顿时魂飞魄散，于惊慌中召集朝中文武百官，商议应敌之策。
花剌子模的将领们在蒙军压境之际，迅速分成主战派和逃跑派。主战派认为应该重点布兵防守呼罗珊和伊拉克，结集一切可用之兵，共拒阿姆河沿线；逃跑派主张退守哥疾宁，倘若形势剧变，可逃至印度。
逃跑派的主张充分迎合了摩诃末的怯战心理，摩诃末认为逃跑才是上上策，正面迎敌只有死路一条。
一名主张弃城逃跑的大臣建议：“敌人刚打下不花剌城，士气高傲，现在与他们交锋，肯定受挫。微臣以为，他们来自漠北草原，肯定水土不服。先避其锐气，时间一久便会把他们拖垮。到那时，只要动用一小股兵力，就能稳操胜券……”
还未等这位大臣把应敌之策讲完，摩诃末的长子札兰丁反对说：“这与其说是应敌之策，倒不如说是安抚内心的恐惧，换取片刻的安宁。时间能把敌军拖垮的话，只不过是痴人说梦罢了。”
“当然，勇气在战争中是一个因素，”摩诃末接过札兰丁的话说，“同时也要掌握一种策略。暂时回避一下蒙军凛冽的锋芒，待到把蒙军拖得人困马乏时，我们再集中优势兵力搞歼灭战，也不失为一种良策。怎能说是痴人说梦呢？”
主张逃跑的大臣见国王摩诃末帮着自己说话，忙迎合道：“就是，国王陛下真是英明果断。”
札兰丁见君臣二人像演双簧，臣唱君和，配合默契，气得暴跳起来，争辩道：“父王，我们平日向百姓索取赋税，当蒙军来犯时却弃城而逃，这种消极颓废的迎敌之策，怎么对得起黎民百姓？养兵千日，用兵一时，用兵之日，大军不上战场，那要军队有何用？”
“你……”摩诃末被长子的话击中七寸，语塞气噎，一时不知如何应对。
“父王。”一心想和蒙军在战场上正面抗衡的札兰丁继续建议道，“我们应该在阿姆河畔与侵略者血战到底。即使败北，也可以给社稷和百姓一个明确的交代。”
一心逃亡的国王摩诃末根本不听从札兰丁的苦劝，把头摇得像拨浪鼓，训斥道：“你年幼无知。凶神恶煞的蒙军挥师中亚，是带着天神阿拉的旨意，来惩罚斩杀蒙古使者的罪人，靠我们绵薄的军力，怎么能抵挡得住？不要再说了，你作为我的儿子，必须服从我的命令。我现在决定：撤往阿姆河南岸。”
“父王，请派兵于我，让我与蒙军决一死战……”
“你速去镇守我们的旧都玉龙杰赤，千万不能落入蒙军之手。我整顿好兵力，会命人前去增援你。”
就这样，蒙军兵锋尚未抵达撒马耳干城下时，作为统帅的摩诃末却率领守军主力匆忙弃城而逃，只留下四万兵力驻守此城。
然而，成吉思汗并不知道撒马耳干城里发生的争执，他潜意识里认为，撒马耳干城内的守军人多势众，犹如繁星，城堡坚不可摧。他断定，撒马耳干城虽说守军众多，城堡坚固，但迟早会攻破而入。
撒马耳干就耸立在眼前了，蒙古骑兵像一把铁钳向撒马耳干的两侧包抄过去。为了对“难攻不落之城”周围的地势有个清晰的了解，成吉思汗率领博尔术、哲别、速不台等诸将及其四子拖雷，离开蒙军大本营，用两天时间绕撒马耳干城墙和堡前斜坡“巡视城池，观察墙垣、外垒和城门”。方获悉，撒马耳干城外三面环山，唯有城西是一马平川的平原，遂决定把主战场放在城西的平原上，利于蒙军实施最擅长的野战。
不久，闻听国王摩诃末率兵临阵脱逃的消息后，成吉思汗一面抓紧安排攻城前的准备工作，一面派遣两名大将哲别、速不台各率精锐骑兵一万昼夜驰骋，追击摩诃末。并特意交代，对摩诃末要穷追猛打，纵然追至天涯海角，也要将其置于死地。最后，成吉思汗好不怜悯地说：“他们最好的去处，就是坟墓。”
于是，哲别、速不台不敢怠慢，指挥着一支草原铁骑，奉命追击摩诃末，日夜兼程朝他逃逸的方向追去。显然，这是一段疯狂而壮丽的远征史诗。
攻城和夺取城门的策略已定，成吉思汗便命令从各地征讨的“哈沙儿”，统一着蒙军服饰，打着蒙军旗帜，每十人一队，混杂在蒙军队伍中，齐聚撒马耳干城下。但见战旗蔽日，兵马如海，鼓噪马鸣，震天的声浪险些把撒马耳干城给掀到天上去。
城内的守军站在城堡上，触目所见，城外蒙军兵马如潮似海，遥遥无际。
接着，成吉思汗又传令攻城军队在城郊休息三天后，等各项攻城设施准备妥当后，便下令环攻撒马耳干城。这座壮丽的城市，在蒙军和“哈沙儿”的团团包围之下，瞬间变成了一只孤立无援的困兽，做着最后的挣扎。
蒙军各队兵马各就各位，等成吉思汗下达了攻城的命令后，便以磅礴的气势从四个方向同时发起酣然总攻。在笳号呜呜的长鸣声中，投石机和床弩齐发，一时炮石和箭镞暴雨般倾注城内，炮石所触之处，城垛破坏，守军伤亡。但撒马耳干的守将勇猛异常，比讹答剌和不花剌城的守将勇敢多了。他们冒着箭矢和床弩的射击，死守城头，用弓箭还击强渡护城河的蒙军突击队，抛下滚木和巨石，砸击破城的蒙军工兵无数。
城内守将阿勒巴儿汗率领一彪人马杀出城来，与蒙军血刃相搏，双方伤亡甚重。是日，撒马耳干守军不断组织突击队出城实施反击，与蒙军展开肉搏。第一回合的交锋，两军势均力敌，直杀到晚祷时分，扔下上千名尸体和伤兵，他们把蒙军俘虏带进城里。
见常规战术不能轻易取胜，花剌子模人使出撒手锏，把战象投入战斗之中。
战象是古代很有趣的兵种，顾名思义就是以大象作为主要作战武器。其实就是利用战象的巨大身躯、厚实皮肤以及尖锐象牙来攻击。因为只有公象才有象牙，所以多半采用公象作为冲锋陷阵的工具。战象周身披挂着厚重的铠甲。这种铠甲都是以厚牛皮为内衬，外面密集地披挂着多层鱼鳞状或块状铁或钢制甲叶。到中期巅峰时期，战象除披挂铠甲外，象体防御力最差的胸部和腹部已经被整块的厚度达3毫米以上的钢制板状胸、腹甲保护起来。象腿上也被带活动护膝的钢制甲胄保护起来。象头也装有钢制护面，甚至连象鼻子上也装备有锁子甲。
躯体魁梧的战象一旦投入战斗中，难于驾驭，这是一个致命的缺点。从各种战例上来看，战象的使用，并未收到预料的效果。其结果也耐人寻味，既有一些成功的战例，又有更多失败的记录。
胜败悬于一线，不知道花剌子模人借助二十头战象的威力，能否击溃骁勇彪悍的蒙军。撒马耳干守军在身披铠甲的战象的掩护下冲出城门，这些庞然大物昂首阔步向蒙军阵营冲撞过来。随着笨拙的身躯渐渐逼近，蒙军的坐骑似乎嗅到空气中危险的气息，变得骚动不安起来，咴咴地打着响鼻，四蹄刨地，发出胆怯的嘶鸣声。
等战象走进射程内，蒙军诸将士沉着冷静，将架设好的各种火器，猛烈地朝象军射击。野兽都怕烈火，战象也不例外。在箭矢如雨的射击下，被火舌灼伤皮肤的战象不再恋战，急忙掉转笨拙的身躯，企图冲回城里，但跟在它们身后的守军，躲闪不及，被踩死在脚下。
见自己的撒手锏都奈何不了蒙军，撒马耳干城内的军民不免愁肠百结起来，感觉破城的悲剧像每天升起的太阳一样，迟早会到来。
撒马耳干城的守军有不少突厥人，毕竟突厥和蒙古乃同一种族，基于血缘方面的考虑，他们更倾向于成吉思汗。在该城守将秃孩汗的带领下，他们伺机打开城门向填平护城河的蒙军投降。
守城将士一降，城内居民也不敢蛮战，只好随波逐流一起投降。祈祷过后，军民打开撒马耳干的城门（西北门、祈祷门），迎接蒙军入城。另外大食人守军，有的投降，有的逃逸，只有少数人在主帅脱盖罕的率领下，退守内城。
浩浩荡荡的蒙军开进城内，首先要做的，就是立刻督促百姓拆毁城墙和外垒，填平壕沟，直到骑兵可以自由驰骋为止。随后，投降的居民被押往城外集合，听候发落。只有曾出城去晋见成吉思汗的伊斯兰教首领，及其受他们保护的人都免于出城。享受这一特殊待遇的大概五万余人。随后，成吉思汗通过传令官颁发布告：“匿藏者格杀勿论！”
布告一经颁布，视财物为粪土的人，首先把藏匿在隐蔽处的财物挖出来交给蒙军。而那些侥幸蒙蔽过关的藏匿者，财物被搜出来后，都统统死在蒙军的屠刀之下。
撒马耳干的外城被夷平后，蒙军开始向内堡发起进攻，并切断向内堡供水的渠道，一点一点把内城守军逼向绝路。内城守军也陷入混乱之中，吓得心胆俱裂，既不敢挺身抵抗，又不能转身逃跑。一天夜里，阿勒巴儿汗率领一千多名敢死队，冲出内堡，经过一阵死战，杀开一条血路，乘着夜色掩护逃出撒马耳干城，投奔他们的国王摩诃末去了。
翌日凌晨，蒙军对内堡残余的守军发起猛烈的进攻，双方经过一阵暴风骤雨般的矢石往来。晚上，蒙军夺下城门，攻入内堡。失去藏身之处的居民和勇士则转移阵地，避入大清真寺内。即便如此，他们也不准备投降，毅然用弓弩和火炮筒与蒙军对峙。最后，蒙军利用石油纵火焚烧，大清真寺被焚烧倒塌。战火过后，只见残壁残垣，搏斗过的战场上血迹斑斑，到处是无头的尸体、烧焦的帐篷，狼藉一片。国王摩诃末精心挑选的守城主帅脱盖罕也没有幸免于难，在乱军之中丧命。
内堡守军被蒙军悉数歼灭之后，成吉思汗下达肃清内城和外城的命令。男女居民以百人为一群，在蒙军的监视下被赶到城外。接着，蒙军张贴出告示，倘若有人执意藏匿不出，搜出后就要他流血丧命。随后，蒙军把技术工匠留下来，将临阵叛变的三万多康里、突厥将士全部杀害，其中包括国王摩诃末朝廷的二十多名大臣。又征伐三万名壮丁，将受降者的头发剃成蒙古式样，被收编入军。剩下的人交出二十万巨额赎金后，才免于一死。
象奴指挥着战象去觐见成吉思汗，请求发给战象食物。成吉思汗迷惑不解地问他们，战象养驯前靠什么为生。他们回答说，原野上的草。于是，成吉思汗下令放掉战象，让它们自己去寻找食物。战象获得自由后，最终因饥饿而死。
经过短短八天的时间，花剌子模的首都撒马耳干就被蒙军攻破了，这座曾经富庶而繁华的城市，被夷为一片废墟。
最后，成吉思汗委任契丹人耶律阿海味达鲁花赤，镇守撒马耳干城。
