转移至阵地两边的八万蒙古骑兵，收到成吉思汗命令后，即从两边合围上来。正在准备进攻蒙古大军营地的花剌子模骑兵反而有些不知所措。
阿拉丁见此情景也是大吃一惊，他没想到成吉思汗用兵如此之高明，居然这么快就对花剌子模骑兵进行了反包围。
而帖木儿蔑里迅速反应过来，大声说，花剌子模的勇士们，不要慌乱，继续前进！
于是花剌子模骑兵和步兵继续前进，冲进蒙古大军营地，和大象战队、骆驼战队一起进攻蒙古大军。
这场战斗持续到凌晨，花剌子模大军的大象和骆驼，要么战死，要么受到长箭、火炮的攻击而惊吓逃跑。
大象的记忆力较好，有些大象受到惊吓就一直往回跑，一直跑回撒马尔罕，背上的训像师和弓箭手也控制不住它们，只得任由它们往回跑，沿途还踩死不少花剌子模步兵。
剩下的花剌子模骑兵也无法抵挡蒙古骑兵的进攻而节节败退。
帖木儿蔑里对阿拉丁说，苏丹陛下，现在想战胜蒙古大军几乎不可能了，我们还是赶快撤退吧。
阿拉丁没想到自己精心准备了半年的战争一夜之间就失败了，他痛苦的说，真主啊！您为什么不保佑您的臣民打败蒙古大军啊！那个成吉思汗难道真的是我命中克星吗？
这时蒙古骑兵从四面八方围了上来，帖木儿蔑里说，苏丹陛下，赶快撤退吧，不然就来不及了。
阿拉丁只得命令全军后撤。
成吉思汗见花剌子模骑兵有撤退的迹象，就召来哲别和速不台说，我亲自率领蒙古大军主力追击花剌子模骑兵，你们则带领各自万人队，直接去撒马尔罕城下，一是拦截阿拉丁，二是用弓箭封住城门口，防止撒马尔罕守军出城增援阿拉丁。你们不要距离城墙太近，我听说花剌子模也制造有重兵器车，不要被撒马尔罕守军用重兵器车攻击到了；也不要离得太远，以免他们出城增援阿拉丁。只要抓住了阿拉丁，花剌子模就亡国了。
于是哲别和速不台率领各自万人队取道直接开往撒马尔罕，成吉思汗率领蒙古大军主力对花剌子模骑兵进行追击。
此时花剌子模骑兵已经有些溃不成军了，而蒙古大军则在后面一路追击。至黄昏时分，花剌子模骑兵撤到撒马尔罕以北五里处。正当他们准备进城时，却发现蒙古骑兵已经在那里等他们了。蒙古骑兵不仅封住了城门，还开始对他们进行阻击，两军又发生一场混战。
城墙上的秃儿干丞相、兀思剌黑王储、阿勒巴儿汗见此情景，就使用重兵器车攻击蒙古骑兵，但蒙古骑兵在射程之外，所以收效甚微。
兀思剌黑王储只有十六岁，从来没有经历战争，更没有见过这么大场面的战争。他十分着急又十分害怕的说，真主啊，父王他们被围困住了，我们该怎么办啊！
阿勒巴儿汗冷静的说，殿下不用担心，臣即刻率领出城迎战。
于是阿勒巴儿汗准备从预备军中挑选十万人出城迎战蒙古大军，但是因为之前没有想过出城迎战，所以没有做好挑选的准备。
当阿勒巴儿汗还在挑选士兵、组织军队准备出城迎战时，成吉思汗已经率领大军赶了过来，两面夹击花剌子模骑兵。
正当阿拉丁束手无策时，帖木儿蔑里说，苏丹陛下，败局不可能挽回，我们还是趁着黑夜的掩护，向旧都玉龙杰赤撤退吧。
阿拉丁无奈，只得率领大军向西撤退。
蒙古大军来到撒马尔罕城下。成吉思汗命令窝阔台、察合台、术赤分别率领所部骑兵万人队驻扎于撒马尔罕东、南、西北四道城门，自己则亲率大军主力驻扎于撒马尔罕北门前。