当时，驻防玉龙杰赤的花剌子模军有9 万人。母后出逃时，没有任命留守统帅，守军一时群龙无首，首都出现混乱局面。1220年夏天，号称“铁王”的帖木儿灭里从锡尔河下游辗转逃回首都，向首都军民讲述了与蒙古人作战的惊险经历。玉龙杰赤的军民立即把帖木儿灭里当作英雄，推举他为统帅。帖木儿灭里当仁不让，立即采取果断措施，划分防区，部署部队，加固城防，稳定局势，准备迎击蒙古骑兵。随着秋天的来临，经过休整的蒙古骑兵开始向玉龙杰赤集结，总数近10万人，其中术赤部近3 万人，察合台、窝阔台部7万多人。
成吉思汗还特派博尔术、术赤台等将领参加进攻玉龙杰赤的战斗。术赤分兵遣将，首先对玉龙杰赤构成包围态势，然后派人进城劝告军民投降。他的使者对玉龙杰赤人说：“我大蒙古国大汗已将玉龙杰赤划为太子术赤的封地。太子陛下已统兵10万列于城外，希望这个城市完美无缺，免遭像讹答剌和不花剌城那样的屠城悲剧。太子陛下一片诚心善意，已经下令不许部队进城烧杀掳掠。太子陛下希望你们打开城门，主动投降！”
但是，花剌子模的军事贵族拒绝投降。他们知道，自己和部下即使主动投降，也会被杀光，因为他们不是平民百姓。他们推举母后的族人、康里部族军将领忽马儿的斤为诺鲁思王，即一日之王，由他统率全城军民抵抗蒙军。
察合台对术赤的招降之举嗤之以鼻。
术赤招降失败后，即部署各部强攻玉龙杰赤城。由于该城处于沙漠和沼泽地区，蒙军炮手找不到可供炮击用的石头，便在郊区伐桑树干，锯成一段段，用炮抛射守军。同时，他们强迫数以万计的俘虏日夜不息地运沙土，填塞城边的濠沟。10天后，濠沟被填平。蒙军驱赶俘虏在前面开路，工兵带着攻城器材随后，逼近外城城墙，以挖掘城墙，试图打开缺口。
守军用弓弩猛烈射击掘城的蒙古工兵，甚至不惜杀死走在蒙古工兵前面的同胞。蒙军炮军、弩兵和弓箭手猛烈还击，箭如雨下，桑树木横飞。双方伤亡惨重。
蒙军工兵利用轒辒车的掩护，终于在城墙下掘出一个个大缺口。蒙军突击队纷纷从这些缺口突入城中，与城头上的守军展开肉搏战。蒙古骑兵乘机冲入城中，追杀守军和街上的平民。
守军从城头撤往楼房中，继续用弓弩射击蒙军，并不时地冲出来实施反突击。术赤下令用石油喷火，把守军连同房屋一起烧毁。经过长时间的反复争夺，蒙军才肃清了玉龙杰赤的东城。现在，他们必须夺取连接东城和西城的阿姆河大桥，横渡阿姆河，进攻对岸的西城。
术赤挑选了3000 名蒙古勇士组成突击队去完成夺桥任务。他下达了死命令：若不夺取桥，就不许回营！
3000名蒙古突击队队员冲上桥头，击杀了少数守军，即跨过桥去。但是，当他们到达桥的中段时，玉龙杰赤守军组织的敢死队也冲过来了。这场短兵相接的厮杀在桥上持续了整整一个上午，双方伤亡惨重，不断有人从大桥上坠落河中。守军敢死队前仆后继，轮番上阵，将3000名蒙古突击队员全部消灭。
察合台质问术赤：为什么要在大白天去送死，而不在夜间去偷袭？术赤恼羞成怒，险些又要与这位老骂他是私生子的弟弟进行决斗。察合台与术赤不和，导致部队纪律松弛，作战协同性很差，直接影响了战局的进展。现在，蒙军付出了巨大的伤亡代价，攻击了几个月，仍未征服玉龙杰赤城。
他们各自派人去向成吉思汗汇报，把目前的局面归咎于对方。成吉思汗听后大怒，派亲信前往玉龙杰赤传令：现在由窝阔台任进攻玉龙杰赤的总指挥，必须尽快攻克该城，不得有误！
窝阔台就任统帅后，设法缓和了两位兄长的怒气，重新调整兵力部署。他接受了博尔术将军的建议，派察合台率5万人马换乘快马，绕道阿姆河上游渡江，从西面迂回守军；术赤继续指挥争夺大桥的战斗，监视正面阵地。
窝阔台等了一个星期，等到察合台军挺进到西城西面，开始进攻西面的城门时，才令术赤部转入进攻。术赤继续组织突击队，分成数个梯队，携带猛火油柜和喷油筒，利用轒辒车掩护，登上大桥，用火喷射桥上的守军，轮番喷射，一码一码地向前推进，烧死烧伤守军敢死队员无数，终于推进到大桥西头，牢牢地控制了大桥，并向桥头两侧运动。术赤见大桥到手，即率领蒙古骑兵跨过大桥，向西城冲杀。与此同时，察合台也组织强攻，突破城门，杀进城中。西城军民在蒙军两方夹击之下节节败退，最后集中退往三个街区，派人求降。
术赤为蒙军伤亡惨重而怒火中烧，下令将城中居民和士兵赶出城外，把工匠、年轻妇女和儿童均分，兄弟三人各得一份，而将其余人统统杀死。最后术赤还派兵挖开河堤，引水灌城，将隐藏不出的平民和士兵全部淹死。繁华似锦的玉龙杰赤变成一片汪洋。
战后，成吉思汗对术赤三兄弟极为恼火，拒绝见他们，因为他们三人私分工匠、妇女、儿童和财富。术赤借镇守封地之机，拒不朝见成吉思汗。后经诸将劝解，他们父子才平息了分歧。不过，术赤开始疏远父汗和兄弟，率部驻扎在玉龙杰赤以北的草原，扫荡残敌，一心一意地经营自己的封地，未参加后面的进攻战役。察合台和窝阔台在征服玉龙杰赤后，没过多久便率部与正在阿富汗山区扫荡的成吉思汗会师。在术赤、察合台、窝阔台挥师围攻玉龙杰赤期间，成吉思汗亲率军队扫荡了阿富汗山区的城寨，同时分兵由拖雷指挥，席卷了呼罗珊地区的城镇和绿洲。
攻克撒麻耳干城后，成吉思汗和拖雷率中军到达南面的奈撒夫绿洲，让战马饱尝那里丰盛的青草，恢复体力。他们在这里度过了1220年的盛夏，于初秋时节过铁门关（今乌兹别克拜松山布兹加勒山口）南下。成吉思汗抽调了一支精锐部队，交给拖雷指挥，向西南呼罗珊地区进攻。自率大军首先进攻阿姆河北岸的忒耳迷（今乌兹别克捷尔梅兹）。忒耳迷城军民拒绝开门投降。成吉思汗部署部队，从四面八方发起强攻，11天后攻破该城，将全城居民和士兵赶出城外，全部杀死，洗劫了该城的财宝。然后，他分兵遣将，抄掠了附近的城寨。1221年初，他率部渡过阿姆河，进抵巴里黑城下（今阿富汗马扎里沙里夫西）。
巴里黑城居民打开城门，欢迎成吉思汗的部队进城，并献上大批物品慰劳大军。不过，该城的居民后来还是没有逃脱被屠城的悲剧。成吉思汗担心花剌子模流亡贵族会利用该城作为抵抗中心，便以清查户口为名，将全城居民赶出城外，不分男女老少，全部杀死。成吉思汗征服巴里黑城后，开始了长达七个月的围攻塔里寒寨（今阿富汗木尔加布河上游之北）之战。该寨军民英勇顽强，利用有利地形，居高临下，挫败了蒙军一次又一次攻势。成吉思汗不得不要求拖雷回师，合力攻击，才将该寨攻克，杀死了该寨全部守军和平民。
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