Совершив ошеломительный переход через пустыню, который, по утверждению многих ученых, просто не имел аналогов в военной истории, Чингисхан, которого потерял из виду Мухаммад, 7 февраля 1220 г. вдруг объявился под Бухарой и немедленно осадил город.
По какой-то причине спустя три дня после начала осады гарнизон решил выйти из города. В последовавшем бою им удалось прорваться через монгольские войска, окружившие Бухару, но далеко уйти не получилось. Монголы настигли беглецов и полностью их истребили. Эта авантюра, вероятно, была затеяна вследствие обострившихся межэтнических противоречий между персоязычными горожанами и тюркоязычными солдатами. Последних в Мавераннахре ненавидели ничуть не меньше, чем тех же монголов. Как бы то ни было, столь неожиданный поворот событий только сыграл на руку Чингисхану, который в тот же день вступил в древний город. Лишь цитадель, в которой находилось всего 400 защитников, держалась еще 12 дней.
Взяв Бухару, Чингисхан закрыл от Мухаммада возможность получать помощь из Хорезма и Хорасана, а из других районов продолжали поступать все более пугающие новости.
Джучи со своими войсками пошел вниз по Сырдарье. В ходе семидневного штурма он овладел Сыгнаком, жители которого до этого умертвили монгольского посла Хасан-хаджи, выдвинувшего требование сдать город. В наказание жители города были перебиты. Эта резня, весть о которой быстро разнеслась по городам и весям, произвела тяжелое впечатление на местное население. Жители Узгенда и Барчыгкента предпочли капитулировать сразу. Сопротивление оказал лишь маленький городок Ашнасу, который постигла судьба Сыгнака. После этого Джучи без особых проблем овладел Джендом и Янгикентом, поставив под свой контроль весь район, именуемый Туркестаном.
Так же успешно действовал и корпус под командованием Улак-нойона и Сюкетю-черби, которые захватили Ходжент и Бенакент, перекрыв от Самарканда Ферганскую долину.
С юго-востока Самаркандская область соседствует с труднопроходимыми горными хребтами, и теперь, когда монголы двигались на город одновременно с востока и севера, стало очевидно, что война проиграна. Пути для подкрепления были отрезаны, и не было никакой возможности пополнить свои силы в Мавераннахре. Хорезмшах успел бежать из Самарканда еще до того, как сомкнулось кольцо, и все-таки сумел пробраться в Хорасан, где собирался набрать новую армию.
В марте 1220 г. Чингисхан, к которому успели присоединиться Чагатай и Угэдэй, осадил Самарканд. В этом большом и хорошо укрепленном городе находился огромный гарнизон, на вооружении у которого имелись даже боевые слоны. Тем не менее все дело закончилось самым плачевным для самаркандцев образом. Гарнизон совершил две вылазки, в ходе которых потерпел поражения, и уже 17 марта делегация из почетных лиц сдала город.
Мухаммад, конечно, не сидел сложа руки и пытался предпринимать ответные действия, но, как передает Ибн ал-Асир, «Хорезмшах же, (оставаясь) на месте всякий раз, как наберутся к нему войска, отсылал их в Самарканд, но они возвращались, не решаясь доходить до него. Да сохранит нас Аллах от такого малодушия! Послал он Хорезмшах раз 10000 всадников, вернулись они; послал он 20000, и они также возвратились».
После этого монгольские войска подверглись переформированию. Субэдэй и Джэбе получили от хана приказ преследовать хорезмшаха, который скрывался в Хорасане. Окончательно деморализованный впечатляющими успехами монголов, Мухаммад бежал все дальше и дальше, пока не забрался на остров прокаженных в Каспийском море. Там и окончил свои дни от воспаления легких один из некогда самых могущественных монархов мира, провозгласив перед смертью своим наследником Джелал-ад-Дина.
