次日凌晨，蒙古大军从哥疾宁城北门开始攻城。成吉思汗指挥三百余辆蒙古放弩车在两里开外朝哥疾宁城墙上发射火箭。花剌子模重兵器车兵则使用五百辆放弩车反击。成吉思汗又命令后勤步兵推运部分铁甲战车挡在重兵器车前面，防止花剌子模火箭射在放弩车上。
蒙古重兵器车一天之内将上万支火箭射入哥疾宁城墙和城内。花剌子模重兵器车数量虽多但是质量不好、射程不远，很多火箭射不到蒙古大军阵地前，有的射在铁甲战车上面，只有少数火箭射入蒙古大军阵地内，但已经没有杀伤力了，很快被蒙古步兵扑灭。
一天下来，花剌子模放弩车被烧毁无数，花剌子模重兵器车兵也被射死烧死无数，蒙古放弩车和重兵器车兵却几乎“毫发无损”。
成吉思汗见天色已晚，于是鸣金收兵，放出哨探，生火做饭，进行休整。
次日凌晨，成吉思汗又指挥放弩车攻击哥疾宁城墙，花剌子模放弩车根本无还击之力。一个时辰后，成吉思汗指挥放弩车向前推进一里。并命令抛石车紧随其后开始攻击哥疾宁城墙。无数支火箭射入城内，使城内燃起熊熊大火。无数块石块抛到城墙上，砸毁了很多放弩车。
阿黑剌黑赶紧命令士兵把抛石车从防御工事里面推运出来，准备反攻蒙古大军。但见蒙古抛石车抛掷的石块飞天盖地而来，花剌子模士兵根本就没有操作抛石车的机会。很多抛石车被砸毁，很多花剌子模士兵被砸死。
第三天凌晨，成吉思汗命令重兵器车攻击哥疾宁城墙一个时辰后，便下令发起总攻。
蒙古重兵器车兵在放弩车的掩护下，将三百余辆攻城云梯推送至哥疾宁城下。两万攻城步兵则举起大刀盾牌通过攻城云梯攀爬城墙。
这时有少数花剌子模士兵从城墙上探出头来，准备用弓箭和石块攻击蒙古步兵。成吉思汗赶紧命令蒙古骑兵下马就步，来到城墙下面朝城墙上放箭，射杀了不少花剌子模士兵。
当两万蒙古步兵翻入城墙后，阿黑剌黑也指挥二十几万花剌子模士兵包围上来，两军开始激烈战斗。
因为花剌子模士兵是蒙古攻城步兵的十余倍，一个时辰后，蒙古攻城步兵渐渐不敌花剌子模士兵。
成吉思汗见此情景，随即命令蒙古骑兵上马，通过攻城云梯进入城墙内，和攻城步兵一起攻杀花剌子模士兵。
花剌子模士兵虽然人数众多，但大部分是刚征集而来，战斗力弱。很快就不敌蒙古骑兵的猛烈进攻，纷纷往城墙下面跑。蒙古骑兵遵照成吉思汗命令，为防止敌军埋伏，也不追高，而只是剿杀城墙上的花剌子模残军，然后全面占领城墙。
成吉思汗这时也通过攻城云梯进入城墙，此时天色已晚，城内一片寂静，就像空城一样，城内守军和百姓一样，都躲在家里不敢出来。
成吉思汗命令士兵搬走堆放在城门的巨石，让重兵器车兵把放弩车和抛石车搬运至城墙上。同时命令后勤步兵封锁哥疾宁城四道城门。
随着成吉思汗一声令下，蒙古放弩车开始攻击哥疾宁城城内房屋。成千上万支火箭射入城内，不到一个时辰，整个哥疾宁城便成一片火海。成吉思汗又命令抛石车攻击城内，无数块石头像雨点一样落在城内房屋上，那些正在燃烧的房屋很轻易的被砸毁了。
城内守军和百姓只得通过四道城门往外逃跑，站在城墙上的蒙古骑兵就开始朝着人群放箭，很多人都被射死了。少数人好不容易打开城门，跑出城来，那些躲在铁甲战车后面的蒙古后勤步兵也朝他们放箭，他们只好又退回城内。
整整一个晚上，蒙古大军轮番进攻、轮流休息，花剌子模士兵和城内百姓死伤无数。