Оставив на востоке разорённую Бухару, Чингисхан вдоль берега реки Зеравшан пошёл на Самарканд. За его повозками тянулись пленники, используемые как рабочая сила, против своей воли помогавшие врагу разрушать собственную страну. Самарканд (древняя Мараканда), город с богатейшей историей, был когда-то столицей Согдианы. В 329 году до и. э. он был захвачен Александром Македонским, в 712 году пережил арабское нашествие. При Саманидах город был на подъёме. Расположенный в центре оазиса, он процветал благодаря своей превосходной системе ирригации.
Как большинство средневековых городов, в том числе и соседняя с ним Бухара, Самарканд делился на кварталы. Рядом с цитаделью находился квартал дворцов, административных зданий с его библиотеками, культовыми постройками из кирпича, многие из которых были облицованы цветными изразцами, славившимися по всему Востоку. В пригородах теснилось множество хибарок, в которых не покладая рук трудились ремесленники — ювелиры, шорники, жестянщики, кожевники. Существовали отдельные улицы гончаров, оружейников, чеканщиков и краснодеревщиков, изделия которых пользовались спросом вплоть до отдалённых портов Средиземноморья: стальные клинки, кольчуги, расписная и глазурованная керамика, инкрустация из дорогих пород дерева, кувшины с изящной чеканкой. Изготавливали также бумагу, технику производства которой переняли от китайцев. Сады и плантации поставляли в город редкие цветы, фрукты, которые сушили или варили с ароматическими приправами. Фисташки, финики, апельсины, дыни — в зависимости от сезона — наполняли прилавки самаркандских базаров. Некоторые местные купцы отправляли дыни высокого качества «в свинцовых ящиках, обложенных снегом», на запад, и они доходили свежими до Багдада.
Город был обнесён поясом укреплений, которые незадолго до того надстроили. В большом гарнизоне служило множество наёмников, и, по-видимому, очень немногие из самаркандцев могли себе представить, что их город ожидает та же участь, что за несколько месяцев до этого постигла расположенную в 250 километрах к западу Бухару. Даосский монах, китаец Шань Шун, побывавший в Самарканде позднее, отмечал: «Самарканд — это город каналов. Так как летом и осенью там дождей никогда не бывает, его жители повернули течение двух рек в сторону города и распределили их воду между всеми его улицами, так что в каждом жилище она есть в достаточном количестве. До поражения хорезмшаха население Самарканда составляло более 100 тысяч семей… Большинство полей и садов принадлежит мусульманам, но им приходится нанимать китайцев, киданей и тангутов (сися) для всевозможных работ и управления своими владениями. Жилища китайских рабочих разбросаны по всему городу».
Стены славного города были прорезаны четырьмя монументальными воротами. Одни ворота, называвшиеся Китайскими (или Восточными), напоминали о важнейшей роли страны хорезмшахов в торговом обмене, который проходил в течение веков между Дальним Востоком и Передней Азией по разным маршрутам Великого шёлкового пути.
Весной 1229 года Чингисхан со своим войском подошёл к Самарканду. Увидев прочность его укреплений, хан предпочёл дождаться подмоги. Он тщательно разработал план операции и окружил город кольцом своих войск. Когда к нему подошли Угэдэй и Чагатай, гнавшие впереди своей конницы тысячи пленных хорезмийцев, он созвал полевой военный совет, на котором было решено ввести противника в заблуждение относительно численности монгольских сил. Собрали несколько тысяч пленных, сняли с них чалмы и кафтаны и одели их как кочевников. Потом под надзором нойонов Чингисхана несчастные пошли за монгольскими знамёнами к стенам Самарканда. Наёмный гарнизон осаждённого города атаковал наступавших. Как обычно, кочевники последовали старинному правилу военной тактики, согласно которому «из тридцати шести военных хитростей ни одна не сравнится с ложным отступлением». И здесь эта уловка сработала: позволив противнику устрашить нелепо переодетых пленных, монголы внезапно появились позади них и набросились с саблями и топорами на застигнутого врасплох врага, который был вынужден в беспорядке отступить. Сильно потрёпанные монголами тюркские наёмники на пятый день осады города дезертировали. Платили им нерегулярно, они были отрезаны от местного населения, отличались от него языком и обычаями и потому оставили Самарканд без всякой военной защиты, и он был вынужден капитулировать.