哲别偏军又行军两日后，兵临剌夷城城下。哲别偏军围绕剌夷城城墙安营扎寨，一边将成吉思汗安民文书射入城内，一边进行休整。
守城将领将成吉思汗安民文书呈给剌夷城最高长官。剌夷城最高长官赶紧来到城墙上查看军情。
副将问，长官，蒙古大军人数众多，又有很多新式武器，我们是坚守城池还是出城投降？
剌夷城最高长官没有见过蒙古重兵器车的威力，他自信的说，我受苏丹陛下重托，岂可出城投降？一定要和蒙古大军血战到底！何况这支部队也就六、七万人，看他们的模样穿着，可能有一半都是花剌子模的叛徒，而我们的总兵力有十几万人，根本不需要惧怕他们。传令下去，准备迎战！
次日凌晨，哲别见剌夷城城墙上的守军没有丝毫的投降迹象，即指挥重兵器车兵使用一百辆放弩车在两里开外向城墙发射火箭。剌夷城最高长官见蒙古火箭如此厉害，只得命令士兵躲在城墙下面。
蒙古重兵器车兵继续前进，当行至一里处时，又使用抛石车攻城。剌夷城守军虽然躲在城墙下面，还是有很多人被射死、烧死、砸死。
哲别见城墙上的剌夷城守军已经死伤的差不多了，就命令一千重兵器车兵推送一百辆攻城云梯至城墙下面，然后又命令攻城步兵向城墙上进攻。这些攻城步兵大多是花剌子模人强征而来的，很多不愿意攻打自己国家的城池。
哲别大怒说，你们已经归顺大蒙古国，现在是蒙古大军的一员，如果你们还要畏战不前，我就命令蒙古骑兵射死你们！
于是攻城步兵在蒙古骑兵的督战下，只得通过攻城云梯爬上城墙，与剩下的剌夷城守军对战。
剌夷城最高长官见蒙古步兵攻上城墙，估计蒙古重兵器车不再发起进攻，便指挥躲在角落里的守军与蒙古步兵战斗。
这三万蒙古步兵本来战斗力不强，又毫无斗志，很快败下阵来，有的被杀死，有的又通过攻城云梯逃下城墙。
哲别见天色已晚，便鸣金收兵。
晚上，哲别将自己的命令通过各级将领传达到每一名攻城步兵。帅令说，今天的战斗你们是看到的，你们现在是蒙古士兵，即使你们不杀花剌子模士兵，花剌子模士兵一样要杀你们！今天很多士兵逃跑，这是绝对不能容许的，大蒙古国大扎撒令明文规定，除非接到撤退的命令，擅自撤退一律以逃跑论处，可以当场处死。本帅念你们是初次作战，给你们一次机会，明天再有逃跑者，必定当场处死！
次日凌晨，哲别偏军继续对剌夷城进行进攻。攻城步兵在重兵器车和蒙古骑兵的掩护下，通过攻城云梯攻上城墙，但很快受到剌夷城守军的反攻，又被赶下城墙。
哲别又命令重兵器车兵攻打城墙，然后命令攻城步兵继续攻城。被赶下城墙的攻城步兵受到蒙古骑兵的“督战”，又再次攻入城墙。这样反复“拉锯”，哲别偏军仍然没有攻占城墙。
这时哲别偏军的长箭、石块、石油已经消耗殆尽，速不台说，要不鸣金收兵，让蒙古骑兵、重兵器车兵和攻城步兵休整一下，我带领后勤步兵到附近采伐树木、收集石块、挖掘提炼石油，然后再行攻城？
哲别说，剌夷城守军已经十分疲惫，不能给他们喘息的机会。我们不是还有一百余枚火炮吗？带着也是拖累，也不安全，把他们全部用了吧。
于是哲别指挥放弩车将一百余枚火炮全部抛入城墙或城内，剌夷城守军死伤惨重。哲别随即命令攻城步兵继续攻城。
经过一天的血战，攻城步兵最终攻占城墙，并打开城门，迎蒙古骑兵入城。
蒙古骑兵入城后，首先对城内残军进行剿杀，然后开始屠城。蒙古骑兵一边对城内百姓不分老幼男女全部进行屠杀，一边抢掠粮食物资。
整个屠杀持续到次日黄昏，蒙古骑兵把城内守军连同百姓大约五十万人全部杀完后，才退至城外休整。
剌夷城之战，蒙古骑兵虽几乎无人伤亡，但攻城步兵战死约两万人，重兵器车兵也有少量伤亡。哲别将重兵器车编入后勤步兵，休整一日后，继续西进。