Все эти манипуляции Чингисхана возымели действие: Мухаммед перестал доверять феодалам и военачальникам. Вместо того чтобы использовать численное преимущество своей армии в открытом бою, он разделил значительную часть войска на гарнизоны и разместил их по городам, тем самым облегчив задачу Чингисхана в этой войне. К тому же войско тюрко-монголов в отношении вооружения, организации, подготовки и дисциплины превосходило хорезмское войско.

Внутреннее политическое положение Хорезма затрудняло организацию обороны страны. Мухаммед боялся сосредоточить в одном месте крупные силы, так как не мог положиться на своих военачальников, и отошел в глубь страны. В результате этого получилось, что только народные массы защищали свои населенные пункты. Но эти массы были неорганизованны. К тому же им в спину наносили удары высшие слои господствующих классов, которые предательством интересов своей страны пытались сохранить свою жизнь и свои богатства.

Наступление тюрко-монголов началось широким фронтом в 1220 г.

Мухаммед развернул свои силы между Сырдарьей и крепостями Мавераннахра. В результате, несмотря на численный перевес, в каждом отдельном месте у него оказалось меньше войск. Чингисхан вошел в Хорезмскую империю около Отрара, в среднем течении Сырдарьи. Один монгольский корпус во главе с двумя сыновьями завоевателя, Чагатаем и Угэдеем, остался у стен этого города.

Согласно источникам, осада Отрара продолжалась пять месяцев. За время осады большие потери понесли не только осажденные, но и осаждающие. Чем дольше длилось героическое сопротивление гарнизона Отрара, тем труднее становилось его положение, так как помощи ждать было неоткуда, ряды воинов редели. По истечении пяти месяцев, в самый тяжелый момент осады, визирь Караджа, испугавшись неминуемой гибели, предал жителей города, самовольно покинул его и вместе со своими войсками сдался монголам. Измена Караджи ускорила захват города. Каирхан был схвачен и предан мучительной казни после гибели всех его воинов. Караджи казнили вместе с теми, кого он увел: считалось, раз он предал своего господина, свой народ, свой город, то может предать и их.

В то время, когда началась осада Отрара, другой корпус под командованием Джучи спустился по течению Сырдарьи и овладел Сигнаком и Джентом. Пять тысяч монголов, двинувшись в верховье Сырдарьи, взяли Бенакет (к западу от Ташкента) и осадили Ходженд, губернатор которого, энергичный Темур-Мелик, после блестящей обороны сумел уйти со своими людьми от монголов.

Сам Чингисхан вместе с самым младшим сыном, Толуем, во главе основных сил двинулся прямо на Бухару и дошел до этого города в феврале 1220 г. Напомним, что хорезмшах Мухаммед завоевал Бухару в 1207 г. и присоединил к Хорезмскому государству, и этот город постоянно являлся ареной социальных конфликтов.

После двенадцатидневной защиты гарнизон города, состоявший из 20 тыс. человек, попытался прорвать линию осаждающих и уйти в Самарканд, где находился хорезмшах Мухаммед, но был уничтожен, и священная Бухара открыла ворота Чингисхану. Город подвергся полному и методичному разграблению. В основном убивали тех, кто сопротивлялся. Бартольд считает легендой рассказ Джувейни о том, что Чингисхан якобы согнал толпу в большую мечеть и поджег ее. Пожар, уничтоживший Бухару, также, возможно, был не преднамеренным.

Но Джувейни и обессмертил эту резню, «заставив» Чингисхана произнести следующие слова: «Я скажу вам, что я – Бич Божий, и если бы вы не были великими грешниками, он бы не послал меня на ваши головы». Как бы то ни было, город Бухара на многие десятилетия перестал существовать. Падение Бухары имело и психологические факторы – сказалось напряжение, царившее в государстве хорезмшаха. Стратегический план Мухаммеда по рассредоточению войск по гарнизонам оказался роковой ошибкой.

Бартольд отмечает, что со стороны мусульман было больше индивидуального героизма и большие героев, чем среди монголов, но последние отличались хорошей организованностью, единым командованием и дисциплиной, что и обеспечило им победу.

Из Бухары Чингисхан пошел на Самарканд. У этого города к нему присоединились Чагатай и Угэдей, которые только что взяли Отрар. В Самарканде Мухаммед оставил сильное войско. Оно состояло приблизительно из 40 тыс. человек, но было деморализовано вследствие бегства хорезмшаха и отъезда его сына Джелал-ад-Дина. Тем не менее воины мужественно вступили в сражение, напали на тюрко-монголов, заставили их с потерями отступить и захватили множество пленных, но на другой день битвы были отброшены за стены. Однако представители духовенства открыли одни из ворот, когда гарнизон защищал остальные ворота, и все защитники были истреблены.