1219年秋，成吉思汗率20万蒙古大军出征花剌子模。花剌子模虽然拥有40万军队，又有精良的武器、充足的物资储备和坚固的城池，但军心涣散，战斗力不强。蒙古军队首先围攻讹答剌城，不断向城里发射石块、火箭、毒箭。但讹答剌城墙高大坚固，守军据险坚守，蒙古军队一时难以攻破。于是，成吉思汗留下儿子察合台、窝阔台继续攻城，自己则亲率主力进攻花剌子模军事重镇不花剌。
1220年2月，成吉思汗到达不花剌，蒙古大军从三面包围了城市。随着成吉思汗一声令下，蒙古大军阵中炮石纷飞，成排的火箭射入城中。围攻三天之后，守城的将领看到蒙古军队骁勇善战，攻城很是凶猛，担心城被攻破，趁着夜色率2万士兵突围。成吉思汗立刻派骑兵追击敌军，彻底歼灭了这支溃逃的军队。次日，不花剌城宣告投降。为了报复抵抗过蒙古大军的不花剌军民和为战死的将士复仇，蒙古军队在掠取了不花剌的所有财物后，将这座美丽的城市付之一炬。不久，察合台、窝阔台也攻下讹答剌，他们抓到了下令杀害蒙古商队的花剌子模将领，用酷刑处死了他，又在城里大肆杀戮，替被杀的商队报了仇。
随后，成吉思汗开始进攻花剌子模的新都撒麻尔干。为了抵抗成吉思汗，花剌子模国王摩诃末增修了工程浩大的壁垒，调集了十几万波斯和突厥士兵协助守城，还找来20只战象助威。面对围城的蒙古军队，花剌子模军曾发动过几次反击，并出动了战象，但是战象却被蒙古军队的火器所惊，掉头冲入花剌子模军中，结果花剌子模在首战中惨败。初战失利后，花剌子模的士气开始瓦解，城中士兵纷纷携眷属及辎重出降，贵族和僧侣也潜入成吉思汗军营中商洽投降条件，并在得到蒙古人的承诺后开城投降。
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