Чингисхан прибыл в Отрар, до него дошли слухи о крепости стен Самарканда и о многочисленности его гарнизона, шли разговоры о том, что потребуются годы, чтобы взять город, не говоря уж о крепости. Исходя из объективной ситуации он счёл целесообразным первым делом очистить прилегающую территорию, а уже потом организовать штурм города. Он двинулся на Бухару и, после того, как город был захвачен он успокоился и решил, что настала очередь Самарканда. Он собрал огромное войско невольников, набранных в Бухаре. Деревни, которые встретились ему на пути, покорялись добровольно он не допускал мысли уничтожать их, но, если они оказывали сопротивление, как Сари-Пул или Дабусия, он оставлял там войска для осады, а сам без остановок двигался дальше, пока не пришёл к Самарканду. Его сыновья покончили с Отраром и также прибыли с огромным войском, собранным к городу. Было решено разбить лагерь Чингисхана в Кок-Сарае. Остальные войска, прибыв, также расположились лагерем в окрестностях города.
Чингисхан лично объехал город, чтобы осмотреть стены и укрепления, при этом он удерживал своих людей от начала ведения боевых действий. В это же время отправил Джеме и Субутая, которые пользовались его особым доверием, в погоню за султаном во главе тридцатитысячного войска. Чадай-нойон и Ясаур были направлены в Вахш и Талекан.
На третий день собралось многочисленное войско могуллов и пленников. Они расположились кольцом вокруг города. Алп Эр-хан, Шейх-хан. Бала-хан и некоторые другие ханы внезапно выступили из крепости, приблизились к войску завоевателя и выпустили свои стрелы. При этой первой схватке погибло много людей с обеих сторон, пеших и конных. В тот день тюрки султана вступали в стычки с могуллами, убивали одних, захватывали в плен и приводили в город других, но и сами они потеряли тысячу своих воинов.
К ночи противники разошлись по своим стоянкам. Ночью Чингисхан сел на коня и лично расставил свои войска вокруг города. Обе стороны приготовились к бою. Непрерывно стреляли из луков. Баллисты поднимали в воздух камни и стрелы. Могуллское войско подошло к самым городским воротам, лишив войска султана возможности выйти на поле сражения. Защитники бросили в бой слонов, но могуллы не обратились в бегство, напротив, своими стрелами они поразили тех, кому слоны служили препятствием, и смяли ряды пехоты. Слоны были ранены, и от них было никакой пользы, они повернули назад и подавили множество своих людей. Наконец, к ночи защитники города закрыли ворота.
Ала Ад-Дин Ата-Мелик Джувейни так описывает дальнейшие события:
«Жители Самарканда были напуганы этой битвой, и их страсти и мнения разделились: одни желали сдаться и покориться, в то время как другие испытывали страх за свою жизнь; одни, следуя велению неба, не желали заключения мира, а другие, под воздействием силы, исходящей от Чингисхана, не решались продолжить сражение. Наконец, на следующий день, когда сверкающее