在第一个回合的较量中，蒙军突击队遭受了很大的伤亡。察合台和窝阔台调整部署，改为长期围困，断敌粮草供应，然后伺机强攻。同时，他们派出骑兵分队，对讹答剌城周围的小城镇和乡村实行烧光、杀光、抢光的政策，制造大范围的无人区，使讹答剌城成为一座孤城。他们还命令工兵和炮军架设、组装攻城器械，开始有条不紊地攻城，以减少自己的伤亡。
随征的炮手指挥官向察合台建议，在讹答剌城周围构筑土台，即筑堙，架设瞭望用的巢车和望车，居高临下，侦察城内守军情况。察合台立即批准了该指挥官的建议，组织部队构筑高高的土台，并命工匠马上修造巢车。
随征的炮军和工匠工具齐全，在很短的时间内就在讹答剌城四周筑起二十多座土台。这些土台高过城墙，上面还筑有亭子。从这些亭子上几乎可以看到城内四周的每一个死角。
察合台派兵在亭子上瞭望城中，每天24小时日夜监视，若看到城内守军有大部队调动等异常情况，随时报告。他和窝阔台特别担心城内守军大规模突围，冲破蒙军的包围圈，因此一方面加强监视，弄清楚守军的突围方向，另一方面继续封锁包围圈，并预备反突围的兵力，以挫败其突围的企图。
好在哈只儿汗和哈剌察并没有突围的打算。他们知道，一旦突围，他们的骑兵跑不过蒙古快马，他们的步兵和城内百姓只能成为被屠宰的羔羊。他们希望拖延时间，时间一长，这些没有后勤补给的蒙古人会自动退兵。他们忽视了蒙古骑兵此时正四处掳掠粮草和牛、羊、马，屠杀城四周没有军队保护的百姓。
察合台不会让城内守军平安地拖延时间的。他又命令工兵伐木锯树，铲土垒砖，继续修筑靠近城垣的高台，在高台上架设强劲的床弩，从四面八方向城内的房屋楼阁发射火箭和火药箭。火箭即在一般的箭杆后面绑上油脂、艾叶等易燃物品，点燃后用弩发射出去；火药箭即在箭杆后面缚上火药包，点燃火药包外壳的引线后，用弩发射出去。许多火箭在飞行中熄灭了，但有不少火箭和火药箭射中房屋或仓库后，引燃了大火。一旦射中起火，弩手就瞄准起火处，把大量的油脂物缚在箭杆后射击，以引起更大的火势。
为了妨碍守军救火，聪咀的汉族工匠和契丹族炮手专拣夜深人静时，从四面八方一起发射火箭和火药箭，并猛烈射击企图救火的人群。哈只儿汗命令部下还击，但是他们使用的弩强度不及蒙古床弩，射程有限，无法射到城外蒙军的弩台和观望台。
这个时期的城市建筑基本上为木质结构，在干爽的秋天，又刮着风，被射中起火后，很容易火烧连街。
察合台和窝阔台站在最高的观望台上，很高兴地欣赏讹答剌城变成一片火海的壮丽情景。风助火势，熊熊烈火，把许多街道烧成一片瓦砾，把许多堆放粮草的仓库化为灰烬，许多士兵和百姓被烧死烧伤。哈只儿汗从未经历过和听说过这样攻城的场面。现在，讹答剌外城实际上已被蒙军用火攻烧毁。尤为可怕的是，许多堆放粮草的仓库被烧毁，对城内十几万人马构成极大威胁。他知道，国王不会派兵来增援了。如果内无粮草，外无援兵，大难就要临头了。他心里很清楚，这一天迟早要来临。
现在，双方攻守了近五个月。讹答剌城的外城被烧毁，粮草供应开始紧张。
察合台见强攻的时机成熟，便命令随军工匠架设更多的床弩，炮军架设更多的炮架，射击城墙上的守军，砸毁城垛。另一部分工匠从骆驼上卸下拆散分装的轒辒车、火车和钩撞车，迅速组装好，在弩兵和炮军的掩护下，抢渡护城河，开始攻城土木作业。
蒙军这次使用的床弩确实是一种令人生畏的射击武器。它有一个用粗木柱制成的床架，架上有轴，有机牙，由数人绞轴上弦，一人瞄准击牙，发射很粗的箭，其射程和杀伤力远远超过单兵操作的弓弩。在弩兵和炮军的掩护下，蒙军工程兵把轒辒车推到城墙下。轒辒车下面有四个轮子，车顶为尖顶，蒙有生牛皮，牛皮上附有一层湿泥。士兵躲在车中，不怕守城者用石头砸，用火烧，或用开水烫，可以挖掘城墙，打开一个缺口。
另一部分工程兵把火车和钩撞车推到城门下。火车上架有用薪炭烧烤的铁锅，铁锅中盛着翻滚的油，锅旁还有干柴，点燃干柴，引燃锅中的油，熊熊大火直烧城门。如果城门仍未被烧毁，可用钩撞车悬着的粗木柱撞击城门。由于粗木柱一端裹有铁皮，很尖硬，足以撞开被火车烧坏的城门。
蒙军工程兵成功地攻破了外城的城门和城墙。察合台命令各路突击队同时从城门和城墙的缺口冲入城中，抢占城头，夺取吊桥。讹答剌城外城墙头上的守军在蒙军密集的弩炮射击下，死伤殆尽。蒙军突击队登上了城头，立即放下吊桥。蒙军骑兵立即跨过吊桥，冲进外城，追杀哈只儿汗的部下。
哈只儿汗下令向内城撤退，紧急关闭城门。现在，守军已感到末日来临。外城失守，使他们陷入绝望之中。摩诃末国王派来协助哈只儿汗守城的大将哈剌察觉得坚持不下去了，试图劝说哈只儿汗投降，以减少军民的伤亡。但是哈只儿汗严辞拒绝了他的建议，要求全体将士与讹答剌城共存亡。他知道，今天的结局全因他而起，蒙古人绝对不会饶恕他的。
哈剌察未能说服哈只儿汗，便于夜里率本部亲信向蒙军投降。察合台和窝阔台连夜审问了哈剌察，把内城的情况问清楚后，下令将他及他的部下统统斩首。他们向来讨厌临阵逃脱和背叛主人的叛徒，只欢迎一开始就主动投降的敌人。
察合台命令骑兵部队肃清外城，将城中的百姓和未来得及逃进内城的士兵编队，统统赶出城外，同时命令弩兵、炮军、工兵和突击队互相配合，加紧进攻内城。
进攻内城的攻坚战持续了一个月。蒙军用进攻外城的办法攻破了城门，在城墙上打开了无数处缺口。蒙军骑兵冲进内城，开始烧杀抢掠。哈只儿汗和他的士兵知道只有死路一条，所以拚死抵抗。他们各自为战，一直战斗到最后，无一投降。
察合台不得不把部队化整为零，逐条街，逐幢房屋地追杀守军士兵。有时，他们只好放火，把守军连同房屋烧成灰烬。战斗非常残酷，蒙军也有不小的伤亡。
最后，所有的抵抗都被平息了，只剩下哈只儿汗一人退守在内城的一座高塔上，不断地用砖头往下砸，砸死砸伤不少蒙军士兵。察合台下令活捉哈只儿汗。蒙军突击队在哈只儿汗扔尽砖头后，冲到塔顶。已经精疲力竭的哈只儿汗俯首就擒，连自杀的机会都没有了。蒙军就像他们在金国屠城一样，洗劫了讹答剌城，杀光了所有守军和百姓，最后将全城付之一炬。
把杀人掠货、挑起这场战争的罪魁祸首哈只儿汗，押送到成吉思汗的帐下。
成吉思汗二话没说，吩咐工匠熔化银液，灌入哈只儿汗的七窍中，将他折磨处死，作为对他贪财杀人的严厉惩罚。
正当察合台、窝阔台部围攻讹答剌城时，蒙军其他各路人马也顽强进攻，将花剌子模军各个击破。
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