1220年底，花剌子模已经丧失了大半版图，讹答剌、布哈拉、撒马尔罕、努尔、毡的、本纳凯特等各大城市纷纷沦陷。花拉子模沙摩诃末苏丹原本退到阿姆河以南的卡里弗和安德忽，企图据河而守，却又胆怯的向哥疾宁逃窜，半路上不顾扎兰丁的谏阻，向伊拉克退却。
扈从的士兵都是康里人，将领均是太后图尔汗可敦的亲戚。他们打算谋杀摩诃末，结果事情败露，摩诃末连夜转移帐幕，早晨起来发现自己的营帐已经被乱箭射穿。摩诃末抵达尼沙布尔不久，得知速不台和哲别的部队已经进入呼罗珊，便以行猎为名，仓惶逃亡伊朗沙布尔。鲁克那丁率军三万等待，部下劝摩诃末据险聚众，抗击蒙古，但摩诃末拒不纳谏。
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摩诃末得知蒙古军进逼的消息，又立即逃往哈伦堡，次日又向巴格达逃跑。蒙古军得知消息后，穷追不舍，摩诃末改道逃亡哥疾云西北数十里的萨尔察汗，辗转又到了马赞德兰。蒙古军依旧紧追不舍，摩诃末最终病死于里海中一个偏僻的小岛上。临死前做了他晚年唯一正确的但也是为时已晚的决定：将苏丹之位传给扎兰丁。
太后则带着摩诃末的后妃、王子公主们西逃，躲避到马赞德兰附近的亦剌勒和剌儿占城堡。蒙古军尾随而至，包围两个城堡四个月之久，城堡虽然易守难攻，但正值夏季却连月不雨。因为缺乏水源，守军饥渴难耐被迫出降，图尔汗可敦等被俘获，悲剧的是刚刚投降便天降豪雨。摩诃末的女儿们和年纪小的儿子同时被俘，王子们均遭杀害，公主们则被分给投靠成吉思汗的穆斯林高官们，据说有些还成了术赤、察合台的妃子，可敦自己则被押送到蒙古。
太后出走后，花剌子模都城玉龙杰赤已经群龙无首，便推举可敦的亲戚胡玛尔的斤为苏丹。城中有军士九万，花剌子模名将帖木儿灭里也到达这里。此人在忽毡沦陷时曾率领一千军队退入锡尔河的一个岛屿之中，抵抗蒙古军围攻数月之久，粉碎了蒙古人的溃堤水攻计划，最后因矢尽粮绝才率领部下乘七十艘小船连夜突围。
蒙古军沿着河岸尾追，帖木儿灭里箭术卓绝，一路驱散追军。在本纳凯特城附近，蒙古军横河设置铁索阻拦，帖木儿灭里挥刀斩断铁索继续前进。当帖木儿灭里继续前进时，蒙古军队已经沿着两岸部署重兵，连接战船架设浮桥，部署大批弓弩手张网以待。帖木儿灭里只得舍舟登岸，虽在蒙古大军追击下丧失了全部辎重和部下，只身突出重围。
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帖木儿灭里整顿军务，出兵收复养吉干，杀死蒙古达鲁花赤，随即撤回。接着花剌子模的两位宰相伊马杜丁和谢雷甫丁也赶来，城中秩序大有改观。不久，扎兰丁等三位王子在埋葬了摩诃末之后，由海路率领七十名骑兵抵达玉龙杰赤，宣布了摩诃末的死讯和扎兰丁继位的遗命。
虽然原太子奥兹拉格沙表示愿意让位，但控制玉龙杰赤的突厥将领们素来与扎兰丁不合，对他继位大为不满，企图发动政变杀害扎兰丁。扎兰丁被迫于1221年2月逃出玉龙杰赤，仅有帖木儿灭里率三百骑兵追随，抵达纳撒。三天后，扎兰丁的二位弟弟也弃城而逃，路上被蒙古军包围，与其追随者一起战死。三人走后，玉龙杰赤的康里将领乌马儿自立为苏丹。这种自毁长城的行为无疑帮了蒙古军队的大忙，然而接下来的战斗依旧异常的残酷和艰难。
察合台、窝阔台所部协统右手诸千户军，经布哈拉从东南面进入花剌子模，术赤的军队也从毡的南下，博尔术所统帅的怯薛军亦赶来参战，最后到达的则是察合台部。各路蒙古大军云集玉龙杰赤城下，在术赤部到来之前蒙古军兵力就已超过万人。蒙古军先以少数兵力袭扰各城关，赶走牲畜。城内守军误以为敌人不多，开门出击，蒙古军先锋佯装败退。
结果花剌子模军队被蒙古军引诱到到距城市约六公里处的伏击圈内，日落前就被杀一千余人，余部突围回城，蒙古军紧随其后，夺门而入，但在日落时被击退出城外。次日战斗再起，守将费力顿古里率军五百击退了蒙古人对城门的攻击。此时察合台部和窝阔台部赶到，一边派使节进城劝降，一面准备围攻。玉龙杰赤附近缺乏石头，蒙古军便砍伐桑树，截为数段，浸入水中使其坚硬如石后以代替石弹，术赤军赶到后，完成了对城市的合围。
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蒙古军使用石油筒焚烧街区，用弓弩和投石机屠戮百姓，城中守军死伤惨重，但依旧引阿姆河之水来灭火，坚持战斗。玉龙杰赤城跨阿姆河两岸，中有桥梁相连，蒙古军三千人企图夺取桥梁，以阻止守军利用河水灭火，结果全被守军杀死。于是城内守将士气大振，屡屡杀死攻城的蒙古军。加之术赤和察合台勾心斗角，号令不一，连攻数月却徒劳无功。据拉施都丁说，直到几十年后还可以看到玉龙杰赤的废墟里蒙古军死者的尸骨堆积如山。
成吉思汗大怒，命窝阔台统一指挥，并动用了怯薛军。数百具大型抛石机一起向城中发射点燃的装满石油的陶罐，玉龙杰赤变成一片火海，博尔术率领怯薛军拼死攻城。蒙古军的旗帜终于插上城墙，但花剌子模守军依旧逐个街区、逐条街巷的和蒙古军死战。怯薛军身先士卒，与花剌子模军激战，巷战极为激烈，每个街区、每个宅院都经过反复争夺，连妇女都奋起参战。蒙古军每攻占一个区域，就将其彻底烧毁、拆掉。
七天之后，城中仅剩下三个街区，守军力竭投降。蒙古军将居民全部赶出城外，命十万工匠聚集在一起，押送到蒙古为奴;年轻女子和儿童沦为奴隶分给蒙古各部，剩余人员则全部屠杀殆尽。大屠杀之后，又掘开阿姆河堤坝，放水灌城，藏在城中的少数人也被淹死。昔日繁华富庶的花剌子模首都，变成一片水乡泽国。