正在鱼儿泊（今内蒙昭乌达盟达里泊）避暑的成吉思汗接待了契丹族譔军的使者，对金宣宗迁都南京大为恼火，认为金王朝议和没有诚意，便命部将三摸合拔都为统帅，契丹族将领耶律阿海、耶律秃花、石抹明安等为先锋，率5万蒙军南下接应斫答的5 万契丹族譔军，然后合兵围攻中都。同时，成吉思汗还命令木华黎率7万蒙军进攻辽西、辽东，切断东北金军与中都的联系，策应三摸合拔都部围攻中都。三摸合拔都率10万大军包围中都，围而不攻，采取围城打援之策，切断中都与外界的联系，不许金军援兵的一兵一卒和一粒粮食运进中都城内。当时，蒙军骑兵尚未完全掌握攻城技术，面对中都的坚固城墙和防御体系，只能采取长期围困、断敌粮草供应的办法，减少己方伤亡，最终迫使敌城不战而降。
三摸合拔都还分遣兵力，招降了驻中都南面通州的金军右副元帅蒲察七斤部，切断了南粮北运的漕运枢纽。
1215 年3 月，金御史中丞李英受命收集河间、清、沧诸州义军，与元帅右监军完颜门锡和左都监乌古伦庆寿合兵一处，从河北各地运粮援助中都守军。
三摸合拔都获悉这个情报后，分兵遣将，首先抓获李英，夺得一千多辆运粮车，然后消灭了进抵涿州北的乌古伦庆寿部。现在，金王朝从西南方向增援中都的行动遭到失败。
与此同时，木华黎进攻辽西、辽东，使金王朝也无法从东北大后方抽调兵力增援中都。
木华黎于1214 年进攻辽西。金锦州兵马都提控杀死节度使，拥兵自立为临海王，首先投降蒙军。
1215年初，木华黎率兵进攻北京（今内蒙古宁城县大名城）。契丹守军杀死守将银青，推举乌古伦寅答虎为元帅，开城降蒙。木华黎采纳石抹也先的建议，仍命寅答虎领兵守北京。
至此，木华黎部切断了东北与关内的联系。
此时，金辽东宣抚使蒲鲜万奴拥兵40 万，拒绝派兵增援中都，反而宣布脱离金王朝，自立为天王，国号大真。
金中都守军不能指望来自东北方向的援助，惟一可能得到的增援只能来自南面。
但是，金宣宗一听说蒙军又大举南犯，不顾群臣反对，急忙将太子完颜守忠召回南京。完颜福兴与术虎高琪、抹撚尽忠诸将不和。中都附近的金军谁也不愿意增援中都，即使愿意增援，也无法突破三摸合拔都部署的封锁线。
中都已经变成一座孤城，粮草耗尽，已经出现人吃人的惨景。完颜福兴服毒自杀，抹燃尽忠等弃城而逃。中都金守军已群龙无首，举城以降。
成吉思汗命令失吉·忽秃忽先进城清点府库财产，将其全部运回漠北，然后才允许围城的蒙军将士进城烧杀抢掠。
蒙军于1215 年占领中都后，成吉思汗又兵分三路，继续南下，大肆攻掠河北、山东各地。
据统计，从1211 年秋至1215 年秋，蒙军攻破金国城邑达862 处之多，蒙古铁骑几乎蹂躏了黄河以北的所有金国土地。
1216年，成吉思汗命三摸合拔都率一万蒙古骑兵，取道西夏境，并由西夏出兵配合，对金南京作试探性进攻。他们袭取潼关，沿直线深入河南境，兵临南京城下，探明金新都防守严密后，即渡河北上，大掠河南而还。
现在，成吉思汗找到了经西夏进攻金国新都的捷径了。不过，成吉思汗随后开始大规模西征，只留少数兵力，交给木华黎指挥，继续攻金。蒙军攻金复仇之战至此暂告一个段落。在这个阶段的攻势作战中，成吉思汗御驾亲征，歼灭金军大量精锐部队，蹂躏了金国半壁江山，并掳掠了大批人畜和财物，基本上达到了为先祖复仇的目的。
对成吉思汗来说，攻金的收获还不止这些。蒙军攻占金国中都后，成吉思汗将金国大学者耶律楚材招致帐下。耶律楚材本属辽国契丹皇族，自幼好学，博览群书，精通天文、地理、律历、术数、释老医卜诸学，在中都很有名气。成吉思汗对耶律楚材佩服得五体投地，视他为“天赐我家”的奇才，倚为谋臣，不离左右，极为信赖。耶律楚材对成吉思汗和窝阔台施加影响，使蒙古骑兵在烧杀抢掠方面收敛了许多，为保护中原经济文化做了不少有益的事情。
对蒙古骑兵来说，他们在攻金之战中，集中兵力，长驱直入，充分发挥了骑兵集团的机动作战能力。
更重要的是，蒙古骑兵在攻金之战中逐渐掌握了攻城技术和战术，成为一支兼具攻坚作战能力的军队。
蒙古骑兵在进攻西夏和金王朝时，面对其高大坚固、防守严密的城池，最初常常无计可施，只能采取长期围困、切断粮草供应、围城打援的办法，迫使守军不战而降。成吉思汗与诸将一直在思考攻城的对策。1214年夏蒙古骑兵围困中都时，成吉思汗问部将唵木海攻城之策。唵木海回答说：“攻城应以炮石为先，炮石重，且能杀敌于百步之外。”成吉思汗听后非常高兴，又召来木华黎共议，最后决定建立炮军，由木华黎筹建。
木华黎随后命唵木海为随路炮兵指挥官，挑选五百多名精明强干的士兵操练炮术，并从俘获的西夏、金国工匠中挑选能工巧匠修复从金、夏军手中缴获的炮架。
成吉思汗为组建蒙古炮兵还颁布了一道特殊的命令：今后屠城，一切能工巧匠都在免杀之列；凡归降蒙古的能工巧匠和有技艺者，都要受到特殊优待。冀州（今河北冀县）人贾塔刺浑精于炮兵技术，投降蒙古后，受命在金国招募炮手数百人，后因战功卓著升为龙虎上将军、行元帅左监军、总领元帅。中都人薛塔刺海，率金国炮手300人投降，被成吉思汗封为炮水手元帅，后以战功升为炮水手军民诸色人匠都元帅，负责修炮、造炮。清州（今河北青县）人张荣降蒙后，也因精于炮术，被成吉思汗授予怀远大将军、元帅左都监，后升炮水手元帅。张荣在战斗中受伤，成吉思汗特意安排他到北方养伤。
金军和西夏军本来也不会制造和使用炮，他们是在战斗中从北宋军那里学会的。这个时期使用的炮并非用金属管发射火药炮弹的火炮，而是用木制发射架抛射石弹的抛石机，在当时的古文献中写作“砲”或“礮”。炮的结构是：用粗木柱连接成发射架，发射架上面置横轴，轴中夹抛杆，抛杆顶端系绳索，末端系皮兜以装石弹。发射架可临时组装，即将木柱埋入地下，用于阵前抛射；也可预先组装，置于车上，随时能投入战斗。使用炮时，先迅猛地拖拽抛杆顶端的绳索，将抛杆末端甩起，带动抛杆末端所系皮兜作角加速运动，当加速到一定速度时，石弹在离心力作用下抛向目标。
用炮作战，可有效杀伤敌方的有生力量，毁坏对方的武器装备和防御障碍。炮还是攻城和守城的利器。在攻城战斗中，可利用炮抛射石弹，砸毁敌城墙、城门及城楼，打开缺口。中国早在春秋晚期就发明了这种抛射石弹的炮，当时被称作“飞石”，能抛射12斤重的石弹，射程为100～150 米。北宋时期，炮的种类增多，制炮技术和作战性能有了很大的改进：既能抛射石弹，石弹重量从2 斤到100斤不等，又能抛射火药包、泥弹、粪炮罐、金火罐、毒药烟球，射程从50 步到350 步不等。最大的七梢炮需250 名炮兵拽放，石弹重达100斤，足以击毁任何城楼。射程最远的炮能射400 米左右远。北宋炮兵还发明隐蔽观测瞄准法，进行反炮兵炮击。
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