kurulacak barış neticesinde her iki tarafın kervanlarının serbestçe gidip gelmelerini memnuniyetle karşılayacağını, tüccarların kendi ülkesi dahilinde tam bir emniyet içinde bulunacağını ifade etti.

Cengiz Han 1218 yılının başlarında Harezmşah tüccarları ile ticaret için tamamen Müslüman üyelerden oluşan bir heyeti anlaşma şartları için Harezm’e gönderdi. Sultan Muhammed, Cengiz Han’ın heyetini 1218 yılı baharında kabul etti. Heyet sözcüsü verdiği izahatta Cengiz Han’ın Harezmşah Alaeddin Muhammed’i “en sevgili oğlu” olarak gördüğünü, onunla dost olmak istediğini, her iki milletin ticaret erbabına kapılarını açık tutmasını istediğini bildirdiler. Harezmşah Aleaddin Muhammed heyetin yüzüne karşı; “Benim ülkemin genişliğini, ordularının büyüklüğünü biliyorsunuz; nasıl olurda Hanınız bana “oğul” diye hitap etmeye cesaret ediyor” diyerek tehditler savurmuş ancak Mahmut Yalvaç onu teskin ederek iki devlet arasında bir ticaret anlaşması yapılmasını sağlayabilmişti.
Cengiz Han’ın Çin ülkesini fethederek çok zengin olduğunu duyan Harezmli tüccarlar satacakları malları Cengiz Han’ın ülksine götürerek ticari ilişkiler içine girmeye başlamışlardı. Ardından o da oğulları ve komutanlarına bir talimat vererek sermayeyi hazineden temin ederek kıymetli mallar getirmeleri için seçilen 450 kişilik bir heyeti de Harezmliler ile birlikte o tarafa gönderdi. Müslümanlardan müteşekkil 450 kişilik bu kafilede toplam 500 deve yükü kıymetli mallar, ipek dokumalar, samur ve kunduz kürkleri, Çin sanat eserleri bulunuyordu. Cengiz Han’ın heyetinin ilk konaklayacağı yer Sir Derya üzerinde yer alan ve Maveraünnehir’in son noktası olan Otrar idi. Otrar valisi İnalcık, Harezmşah Muhammed’in annesi Türkan Hatun’un da yakın akrabası idi. Otrar Valsi İnalcık, Cengiz Han’ın 450 kişilik heyetini tutuklattı. Ardından onları öldürtüp mallarına da el koydu. Cengiz Han bu hadiseyi duyduğunda oldukça fazla hiddetlenmiş ve kendisini sakinleştirmek için Burhan Haldun’a çıkarak inzivaya çekilmiştir. Cengiz Han, İnalcığın cezalandırılarak, malların bedelinin ödenmesi için Harzemşahlara elçilik heyeti gönderdi. Ancak Harezmşah Alaeddin Muhammed elçiyle birlikte elçilik heyetini de öldürttü. Otrar hadisesi hakkında dönemin eserlerinde Müslüman yazarlar dahi kabahati İnalcık ve Harezmşah Alaeddin Muhammed'in üzerine yıkmaktadırlar. Nesavi kervanecıların öldürülmesini inalçık'ın şahsi tamahına bağlamakladır. Cuzcani bu hareketin üstü kapalı bir şekilde Alaeddin Muhammed tarafından tasvip gördüğünü düşünmektedir. ibn al-Alhir bu suçu tamamen Harezmşah Alaeddin Muhammed'in üzerine atmaktadır. 

Otrar'da Cengiz Han'ın elçilik heyetinin öldürülüp mallarına el konulmasından sonra toplanan 1218 kurultayında Moğol elçilerine karşılık olarak Harezm’e saldırma kararı alındı. Eğer seferde başına bir şey gelirse diye tahtın varisini belirlemek için oğullarını topladı ancak Cuci ve Çağatay'ın Cuci'nin Cengiz Han'ın gerçek oğlu olup olmadığı konusunda bir birlerine girmelerinden sonra Çağatay'ın önerisi ile Cengiz Han, Ögeday'ı tahtın varisi olarak belirledi. Cengiz Han ocağı beklesin diye en küçük kardeşi Temuge’yi ordugah komutanı olarak Karakurum’da bıraktı. Harezm seferi Cengiz Han’ın yaşantısında bir dönüm noktası olacağı gibi tüm Avrasya hatta insanlık tarihi için bir dönüm noktası olmuştur. 1219 yazında Cengiz Han’ın ordusu Altay dağlarının güney yamacında yığınak yaptı. Zungan kapısını geçerek Yedi Irmak ilinin alt ovasına ulaştılar. Cebe, Subutay ve Tohoçar’ın öncü güçlerinin sayası 100 binden fazla idi. Bu arada hâkimiyeti altındaki kabilelerden istediği askeler gelirken Tangut Krallığına da elçi yollamış ancak Tangut Kralının kendisi değil de askeri gücün lideri konumundaki Aşa adındaki kişi “Cengiz Han mademki bu kadar zayıf, neden Han olmak için bu kadar sıkıntı çekiyor” şeklinde aşağılayıcı bir cevap göndermiştir. Cengiz Han o anda Harzemşahlar üzerine yürümekte olduğu için Tangurtları cezalandırmak için bir hareket yapabilecek durumda değildi ama bun da hiçbir zaman unutmayacaktı. Cengiz Han, bu seferinde kullanmak üzere ordusunun teçhizatını en iyi şekilde tamamlamış, beraberinde kuşatma malzemeleri, Çin'den getirttiği mühendisler ile askeri nakliyat için pek çok deve getirmişti.

Cengiz’in orduları Aral Gölünün güneyinde Amu derya üzerinden Harezm sınırlarına yaklaştığında Harzemşah Muhammed, hazırlıklarına askerî bir şura toplayarak başlamış, ordusunu Sır-Derya ile Maverraünnehir’in müstahkem mevkilerine dağıtarak Moğol ordusunu Semerkantta karşılamaya karar vermişti. Güçlerini belli başlı şehirlere dağıtması sayı üstünlüğüne rağmen kuvvetlerinin azalmasına yol açmıştır. Cengiz Han ilk olarak Eylül 1219'da, elçilerinin ve ticaret kervanlarının katledildiği Otrar'a saldırma kararı aldı. Bu sembolik açıdan son derece önemliydi. Cengiz Han, Otrar önlerine geldiğinde Harezmşah Alaeddin Muhammed'ın savaş planını öğrenerek şehirlerin arasına girecek şekilde ordusunu düzenleyerek Maveraünnehir'deki şehirlerinin birbirlerine yardım etmesini önlemeye karar verdi. Yaptığı plana göre orduyu üçe ayırdı. Oğulları Çağatay ve Ögedey, Otrar önlerinde kalarak şehri alacaklar. Yanlardan gelebilecek bir karşı saldırıyı önlemek için Cuci, Sır Derya boylarına ilerleyerek Cend’i alacak, Cengiz Han ise Buhara’ya yürüyecekti. Böylece Harzemşah ordusunun birbirleriyle teması önlenecekti. Cengiz Han, Çağatay ve Ögeday'ı Otrar'da bırakıp Buhara'ya doğru yola çıktı. Yol boyunca konaklar tesis ediliyor ve posta menzilleri kuruluyordu. Kendi ülkesi Maveraünnehir'de bile Harezmşah Aleaddin Muhammed, 1216'da Sufi Kubravi tarikatından Şeyh Mecideddin Bağdadi'yi idam ettirmesinden dolayı Müslüman din adamlarının düşmanlığını çekmiş vaziyetteydi. Ailesi Harezmşah Alaeddin Muhammed tarafından öldürülmüş bir genç Cengiz Han katılarak Maveraünnehir hakkında bilmediği bilgiler veriyor, yolları ve bölgeleri bilen tüccarlar da Cengiz Han'a eşlik ediyorlardı. Cengiz Han’ın bu sefer sonucunda yaptığı yeniliklerden birisi de harita kullanmak olmuştur. Harita işini de oğlu Cuci’ye vermiştir. Topografya'dan haberdar olmaları da Harezmlilerin elinden önemli bir kozu alıyordu. Buz tutmuş gölü hiçbir engelle karşılaşmadan geçti. Siri Derya Savunma hattına birliklerini yayan Harezmşah Alaeddin Muhammed karşısında Cengiz Han, kendi ordusunun ağırlık noktasının bilinmeyeceği bir yerleşik saldırı tuzağı kurmuştu. Cengiz Han'ın yaptığı plan sonucunda üç ordusundan biri kuzeyden, Cebe komutasındaki diğeri doğudan gelirken Cengiz Han’ın bizzat kendisinin ve Subutay’ın yönettiği bir üçüncü ordu da Kızılkum Çölü’nü geniş bir daire çizip geçerek görünmez biçimde Buhara’ya ve Harezmşah Alaeddin Muhammed’in kuvvetlerinin arkasına yöneldi. Cengiz Han çölden çıkıp göründüğünde ve Buhara yolunu tuttuğunda batıdan geliyordu. Gafil avlanma öylesine etkilidir ki Harezmşah Alaeddin Muhammed, geri çekilme hattının kesildiğini ve Horasan’dan beklediği kuvvetlerin gelmediğini görünce paniğe kapılarak Cengiz Han ile karşılaşmadan maiyetiyle birlikte Semerkant'ı terk etti. Cengiz Han Buhara önlerine geldiğinde Buhara eşrafı, hakimleri ve ulema vaziyeti müzakere ettikten sonra şehrin anahtarlarını 10 ya da 16 Şubat 1220'de Cengiz Han’a teslim ettiler.

Cengiz Han, Buhara'da iki gün kaldıktan sonra sonra Semerkant'a ilerledi. Otrar'ı ele geçirmiş olan Çağatay ve Ögeday ile Cend'i ele geçirmiş olan Cuci de ona katıldı ve 22 Nisan 1219’da Cengiz’in üç ordusu da Harezmaşahların başkenti Semerkant yakınında birleşti. Otrar'ın ele geçirilmesinden sonra yakalanan İnalcık Cengiz Han'ın huzuruna getirilerek öç işkencesi olarak kulaklarıyla gözlerine eritilmiş gümüş dökülerek infaz edildi. Harezmşah Muhammed daha kalabalık olan ordularının başında savaşmak yerine asker toplamak gibi bahanelerle sürekli kaçıyordu ve Cengiz Han, Semerkant önlerine geldiğinde Semerkant halkının gözü savaştan korktuğu için şehri teslim etmeye karar verdiler. Şehrin kadısından, Şeyhülislamından ve alimlerinden oluşan bir heyeti Cengiz Han'a yolladılar. İbnül Esir'e göre şehir teslim olduğu için katliam olmadı. Cengiz Han'a Semerkant'ta verilen kalifiye zanaatkar sayısı 30 bin kişi kadardı. Onlara da aynı hoşgörü gösteriliyordu. Bu, Cengiz Han'ın ilim ve sanat adamlarını kendi tarafına çekerek onun şanı namına hizmet etmeleri için uyguladığı bir yöntemdi. Yağmalama ve haraçtan sonra şehir halkı evlerine dönebildi.

1220 baharını Semerkand yakınlarında geçirip oradan Nahşeb bahçelerine geçen Cengiz Han Tirmiz' hareket doğru hareket ederek şehri ele geçirdi. Cuci, Çağatay ve Ögeday'ı 1220 yılının sonlarına doğru Harzem'in merkezi Gürgenç’i fethetmeleri için görevlendirirken Aleaddin Muhammed'i ne olursa olsun onu canlı yakalamaları için peşinden yetenekli generallerinden Cebe Noyan ve Subutay Noyan'ı ne gönderdi ve yol boyunca direniş olmadığı sürece savaşılmaması ve kesinlikle yağmaya girişilmemesini emretti. Alaeddin Muhammed kaçışına devam ederken, Cengiz Han, Harezmşah Muhammed'in annesi Türkan Hatun'a kendisne karşı kötü bir niyeti olmadığını yalnızca oğlu ile görülecek bir hesabı olduğunu ifade etmek için bir elçi gönderdi. Ancak Türkan Hatun yanıt vermemeyi yeğledi ve Harezmşah'ın kızları ve oğulları ile İran'ın kuzeyinde Hazar Denizi kıyısındaki Mazenderan'a kaçtı. Subutay, Aleaddin Muhammedin ailesinin saklandığı Mazenderan'ı kuşattı ve kaleyi teslim olmak zorunda bıraktı. Türkan Hatun Moğolistan'a sürgün edildi. Harezmşah'ın çocukları öldürüldü, kızları ise Moğolların hizmetine girmiş kişilere dağıtıldı. Subutay ve Cebe, Harezmşah'ın izini Eylül'de Batı İran'da Hemedan'da kaybetmişlerdi. Harezmşah Muhammed batıya kaçarak Hazar Denizi üzerinde bir küçük adaya sığınmıştı. Aralık 1220'de bu adada neden olduğu bilinmez şekilde hayatını kaybetti. Gürgenc kuşatmasına, Cengiz Han'in muhafız kıtasının bir birliğini yöneten Bughurçi ile, sağ kanatta binbaşı olan Tolun-çerbi de katılmıştı. Bu zor kuşatma sırasında Cuci son derece zayıf bir idare göstermişti. Kararsızlığını tenkit eden Çağatay ile yaptığı münakaşaları Cengiz Han'ı her ikisini birden kardeşleri