Знатные люди города предстали перед монгольскими рядами и добились обещания, что все, кто покинет город, сохранят себе жизнь. Как только в городе не осталось жителей, он был разграблен. Несколько сотен горожан, которые решили сопротивляться до последнего, были порублены саблями. Часть города была подожжена. Что касается тюркских наёмников, которые надеялись на то, что, сдавшись врагу, спасут свои жизни, то их обвинили в предательстве, и, как утверждается в одной из персидских хроник, 30 тысяч из них были перебиты. Около полусотни тысяч горожан смогли выкупить себе свободу, заплатив солидарный выкуп в 200 тысяч динаров. Тех, кто был слишком беден, чтобы заплатить, забрали в монгольское войско, где они служили в качестве даровой рабочей силы. Самых умелых из ремесленников целыми караванами отправляли в Монголию. Говорят, что впоследствии, когда самаркандцы вернулись в свои жилища, их осталось так мало, что они не смогли заселить даже один квартал города.
Потом завоеватели повернули на север, занимая новые территории государства хорезмшахов. Войскам Чингисхана надо было пройти вниз по течению Амударьи между пустынями Каракум и Кызылкум. Через несколько месяцев они оказались в 500 километрах к северо-западу от Бухары — там, где начинается дельта реки, впадающей в Аральское море.
Как и другие, уже завоёванные монголами города, Ургенч жил за счёт оазисного земледелия. В столице Хорезма была развита торговля; и базары, где торговали ароматическими веществами, специями, изделиями из хлопка и оружием, свидетельствовали о процветании города. Его также обороняли тюркские наёмники. Но они решили то ли сохранить верность шаху, то ли не верить монголам и защищаться, опираясь на поддержку большинства горожан. На случай долгой и трудной осады в городе были сделаны запасы провизии, оружия и воды.
Чингисхан поручил взятие столицы Хорезма трём сыновьям — Чагатаю, Джучи и Угэдэю. Рядом с ними находились ветераны, участвовавшие во многих сражениях: Кадан, Толун-Чэрби и Боорчу. Численность монгольского войска под Ургенчем оценивают примерно в 50 тысяч всадников. По-видимому, хан обещал своему сыну Джучи отдать ему во владение Хорезм. Сын хана, сражаясь за свою будущую собственность, старался избежать бесполезных разрушений, зная наперёд, что всё, что не будет уничтожено огнём, достанется ему. По обыкновению, монголы отправили к осаждённым посланцев с требованием безоговорочной капитуляции. Когда власти Хорезма отвергли «предложение» монголов, те решили начать осаду города.
В течение нескольких дней пленники монголов ходили по окрестностям в поисках шелковичных деревьев. Так как им не хватало камней для снаряжения катапульт, захватчики решили использовать вместо них крупные деревянные болванки из распиленных стволов деревьев. В это время подневольные рабочие заполняли рвы перед стенами крепости, а сверху на них сыпались стрелы. Дней через десять к стене доставили осадные орудия, чтобы пробить в ней бреши и подорвать укрепления.
Вся эта подготовка заняла много времени, и высшее командование монголов стало проявлять нетерпение. Джучи вновь повздорил со своим братом Чагатаем. Оба возлагали ответственность за слишком медленную осаду друг на друга. Первый предпочитал повременить, как следует подготовиться. Второй, более горячий, придерживался тактики самых решительных действий. Оба ханских сына подыскивали сторонников среди военачальников. Не имея возможности победить, они пытались убедить. Но все эти споры вскоре дошли до Чингисхана. И вновь хан сумел настоять на своём: он навязал двум враждующим братьям авторитет третьего, Угэдэя, которому удалось восстановить согласие.
Как только Угэдэй вернул себе командование операцией, осада столицы Хорезма стала ещё более упорной. Пробив бреши в стенах нескольких передовых бастионов, монгольские отряды сумели проникнуть в город. Защитники, твёрдо решившие не сдаваться, сопротивлялись с энергией, удвоенной от сознания того, что их ожидает в случае поражения. Как защитники, так и нападавшие использовали нефть для поджога домов, в которых укрывались группы солдат противника. Бились за каждую улицу, каждый дом. Пробивали себе путь кинжалами, поднимаясь по лестницам, резали врагов в почерневших от огня жилищах. Для всадников-кочевников, привыкших воевать в условиях быстрых манёвров и стремительных атак, такая «городская партизанская война» была необычна. Мелкие стычки изнуряли тело и душу. Улицы Ургенча здесь и там охватывало пламя, выгонявшее жителей из домов. Повсюду валялись трупы. Монголы, иранцы, тюрки лежали вперемешку, объединённые смертью.
Когда монголы взяли часть города, расположенную на одном берегу Амударьи, им ещё надо было достичь другого берега. Мост через реку стал местом смертельных схваток. Хорезмийцам удалось оттеснить с него противника, который потерял более трёх тысяч человек.