Chiến tranh Mông Cổ – Khwarazm
Những cuộc bao vây Bukhara, Samarkand và Urgench

Thành Cát Tư Hãn phái tướng Triết Biệt (Jebe) chỉ huy một đội quân nhỏ tiến quân về phía nam, với ý định chặn đường rút lui của Shah đến nửa còn lại của vương quốc. Ngoài ra, Thành Cát Tư Hãn và Đà Lôi (Tolui), chỉ huy một đội quân khoảng 50.000 người, đi vòng qua Samarkand và tiến về phía tây để bao vây thành phố Bukhara trước. Để làm được điều này, họ đã phải thực hiện một công việc có vẻ bất khả thi là vượt qua sa mạc Kyzyl Kum bằng việc đi từ ốc đảo này đến ốc đảo khác, dưới sự dẫn đường của những dân du mục bị họ bắt. Người Mông Cổ đã đến được cổng thành Bukhara trong khi gần như là không bị phát hiện. Nhiều nhà chiến thuật quân sự đề cập đến cuộc tấn công bất ngờ vào Bukhara là một trong những cuộc đột kích thành công nhất trong lịch sử chiến tranh.
Bukhara không phải là một thành phố được phòng thủ kiên cố, chỉ có một lớp hào rãnh cùng một lớp tường thành và một pháo đài điển hình như các thành trì khác của đế quốc Khwarezmia. Quân đồn trú ở Bukhara bao gồm lính người Turk chỉ huy bởi các tướng người Turk, những người này đã cố phá vây vào ngày thứ ba của cuộc bao vây. Nhưng lực lượng phá vây này, có thể gồm 20.000 người, đã bị tiêu diệt trong trận chiến. Các lãnh đạo thành phố sau đó đã mở cổng cho quân Mông Cổ, mặc dù một đơn vị phòng thủ người Turk đã cố thủ trong pháo đài của thành phố trong 12 ngày tiếp theo. Những người sống sót trong pháo đài bị xử tử, nghệ nhân và các thợ thủ công bị chuyển về Mông Cổ, nam thanh niên không tham chiến bị bắt gia nhập quân Mông Cổ và những người dân còn lại thì bị bắt làm nô lệ. Khi quân Mông Cổ cướp phá thành phố, một ngọn lửa bùng phát và san bằng gần như toàn bộ thành phố. Thành Cát Tư Hãn triệu tập người dân đến ngôi đền Hồi giáo chính của thị trấn, ở đó ông tuyên bố rằng ông là liên gia (cái neo dùng để đập lúa) của Thượng đế, được cử xuống để trừng phạt họ vì những tội ác họ gây ra trước đó, và sau đó ông ra lệnh xử tử tất cả bọn họ.
Sau khi Bukhara thất thủ, Thành Cát Tư Hãn tiến quân tới kinh đô của Khwarezmia là Samarkand vào tháng 3 năm 1220. Samarkand được tổ chức phòng thủ tốt hơn nhiều với khoảng 100.000 quân. Khi Thành Cát Tư Hãn bắt đầu vây thành, các con trai ông là Sát Hợp Đài (Chaghatai) và Oa Khoát Đài (Ogedei) cũng đến hợp quân với ông sau khi chinh phục xong Otrar, và quân Mông Cổ bắt đầu tấn công thành phố. Quân Mông Cổ sử dụng tù nhân làm lá chắn. Vào ngày thứ ba của cuộc chiến, quân đồn trú ở Samarkand mở một cuộc phản công. Giả vờ rút lui, Thành Cát Tư Hãn đã lừa khoảng 50.000 quân ra ngoài pháo đài của Samarkand và tiêu diệt họ trong trận chiến. Shah Muhammad cố gắng giải vây thành phố 2 lần, nhưng đều bị đẩy lui. Vào ngày thứ năm, ngoại trừ khoảng 2.000 lính, số còn lại đã đầu hàng. Những người lính còn lại, trung thành đến chết với Shah, đã cố thủ trong pháo đài. Sau khi pháo đài thất thủ, Thành Cát Tư Hãn đã nuốt lời hứa với những người đầu hàng và xử tử tất cả những người lính chống lại ông ở Samarkand. Người dân ở Samarkand được lệnh sơ tán và tập trung ở một khu đất trống ngoài thành phố, ở đó họ bị tàn sát và đầu của họ được chất thành một hình kim tự tháp như là biểu tượng chiến thắng của người Mông Cổ.
Vào khoảng thời gian Samarkand thất thủ, Thành Cát Tư Hãn ra lệnh cho Tốc Bất Đài (Subutai) và Triết Biệt (Jebe), hai tướng giỏi của mình, truy bắt Shah. Shah đã chạy trốn về phía tây với một số người lính trung thành và con trai ông là Jalal ad-Din Mingburnu, đến một hòn đảo nhỏ trong biển Caspi. Ở đó, vào tháng 12 năm 1220, Shah chết. Hầu hết các học giả cho rằng ông chết vì bệnh viêm phổi, một số khác thì cho rằng ông chết vì quá sốc với việc để mất Đế quốc một cách nhanh chóng.
Trong khi đó, thành phố thương mại giàu có là Urgench vẫn nằm trong tay lực lượng Khwarezmia. Trước đó, mẹ của Shah cai trị Urgench, nhưng khi nghe tin con trai mình đã trốn đến biển Caspi, bà ta cũng bỏ trốn. Bà bị bắt và bị chuyển về Mông Cổ. Khumar Tengin, một tướng của Muhammad, tuyên bố ông ta là Sultan (quốc vương Hồi giáo) của Urgench. Truật Xích (Jochi), người đã chỉ huy ở phía bắc kể từ đầu cuộc xâm lược, đã tiến quân tới thành phố theo hướng này, trong khi Thành Cát Tư Hãn, Oa Khoát Đài, và Sát Hợp Đài tiến quân từ hướng nam.
Cuộc tấn công Urgench là trận chiến khó khăn nhất của quân Mông Cổ từ đầu cuộc chiến. Thành phố được xây dựng dọc sông Amu Darya trong một vùng đồng bằng nhiều đầm lầy. Đất mềm vốn không phải là điều kiện thuận lợi cho việc vây thành, và các máy bắn đá bị thiếu đá. Mặc dù vậy, quân Mông Cổ vẫn tấn công, và thành chỉ thất thủ sau một trận chiến ác liệt với quân phòng thủ kiên cường, giành giật từng khối nhà một. Thương vong của quân Mông Cổ cao hơn bình thường, do các chiến thuật của quân Mông Cổ không phù hợp với việc chiến đấu trong thành phố.
Việc tiếp quản Urgench trở nên phức tạp do sự căng thẳng giữa Hãn và người con trai cả là Truật Xích, trước đó Hãn đã hứa là tặng thành phố cho ông này. Mẹ của Truật Xích là Bột Nhi Thiếp (Borte), cũng là mẹ của 3 người em của ông. Chỉ những người con của bà ta mới được tính là những con trai và có thể trở thành người kế vị chính thức, so với những người con khác của 500 bà vợ và thê thiếp khác của Thành Cát Tư Hãn. Tuy nhiên, việc Truật Xích có phải là con đẻ của Thành Cát Tư Hãn hay không vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi; vì vào những ngày đầu khi Thành Cát Tư Hãn gây dựng quyền lực, Bột Nhi Thiếp đã bị bắt làm tù binh và bị cưỡng hiếp. Truật Xích được sinh ra 9 tháng sau đó. Dù Thành Cát Tư Hãn thừa nhận Truật Xích là con trai cả của ông (chủ yếu là do tình yêu với Bột Nhi Thiếp, người mà lẽ ra ông đã từ bỏ và từ bỏ cả con của bà), nhưng những câu hỏi vẫn đặt ra về dòng máu thật sự của Truật Xích.
Sự căng thẳng xuất hiện khi Truật Xích tìm cách thương lượng với quân phòng thủ, cố gắng khuyên họ đầu hàng để tránh cho việc thành phố bị tàn phá. Điều này làm Sát Hợp Đài nổi giận, và Thành Cát Tư Hãn đã tránh một cuộc xung đột giữa các con trai bằng cách chọn Oa Khoát Đài là chỉ huy lực lượng bao vây khi Urgench thất thủ. Nhưng việc Truật Xích bị tước quyền chỉ huy, và việc cướp phá một thành phố vốn đã được hứa cho ông đã khiến ông ta nổi giận và bắt đầu xa lánh cha và các em mình, và điều này cũng là nhân tố quyết định cho hành động của ông ta sau này, người luôn phải nhìn thấy các em trai của mình được phong cấp cao hơn mình, mặc dù ông cũng có khả năng quân sự rất tốt.
Như thường lệ, các nghệ nhân bị bắt đưa về Mông Cổ, phụ nữ trẻ và trẻ em bị bắt làm nô lệ cho lính Mông Cổ, còn lại thì bị thảm sát. Học giả Ba Tư là Juvayni ghi lại rằng mỗi một người lính Mông Cổ được giao nhiệm vụ hành quyết 24 người Urgench, có khoảng 50.000 lính Mông Cổ tức là khoảng 1,2 triệu người bị giết. Có thể đây chỉ là con số phóng đại, nhưng cuộc cướp bóc ở Urgench vẫn được coi là một trong những vụ thảm sát đẫm máu nhất trong lịch sử loài người.
Sau đó, đến lượt thành phố Gurjang phía nam biển Aral, bị phá hủy. Để bắt thành phố phải đầu hàng, người Mông Cổ đã phá đập để làm ngập thành phố, sau đó xử tử những người sống sót.