Сам Чингисхан со своим младшим сыном Тулуем во главе основных сил армии двинулся прямо на Бухару, которой достиг в феврале 1220 г. Тюркский гарнизон пытался прорваться через позиции осаждающих и бежать, но был истреблен. Население, брошенное своими защитниками, сдалось (10 или 16 февраля 1220 г.). Цитадель, в которой укрылись четыреста человек, была взята приступом, и все ее защитники перебиты. Город подвергся методичному и полному разграблению. Население обирали, избивали, издевались, подвергали всяческим насилиям, но в принципе казнили только тех – в первую очередь представителей мусульманского духовенства, – кто пытался сопротивляться насилию и святотатствам победителей. Бартольд считает легендой рассказ Джувейни, согласно которому Чингисхан будто бы пришел в главную мечеть, чтобы обратиться к толпе с речью и объявить себе бичом божьим. Также он полагает, что пожар, довершивший разрушение Бухары, возник непреднамеренно.
Из Бухары Чингисхан пошел на Самарканд. Возле этого города к нему присоединились его сыновья Чагатай и Угэдэй, которые взяли Отрар. Население Самарканда, еще в значительной степени иранское, отважно предприняло вылазку, но было наголову разгромлено, а город, по сведениям Джувейни, сдался через пять дней (март 1220 г.). Самарканд был полностью разграблен после того, как для облегчения этой задачи его очистили от жителей. Многие из них были преданы смерти. Те же, кого сочли полезными, квалифицированные ремесленники, например, были вывезены в Монголию. Тюркский гарнизон, неожиданно присоединившийся к монголам, был тем не менее методично вырезан полностью. В отличие от Бухары, представители мусульманского духовенства не пытались сопротивляться и в принципе были пощажены. Те, кто был помилован, получили наконец разрешение вернуться в Самарканд, но бойня была такой, что уцелевших жителей едва хватило, чтобы населить один городской квартал.
Старая столица собственно Хорезма, Гургандж, нынешний Ургенч, возле Хивы, был взят только в апреле 1221 г., после долгой осады, сковавшей силы двух сыновей Чингисхана, Джучи и Чагатая, и даже, в конце, потребовавшей присутствия третьего Чингизида – Угэдэя. За исключением квалифицированных ремесленников, которых вывезли в Монголию, остальные жители были истреблены. Монголы завершили разрушение города, затопив его водами Амударьи.
Пока шло завоевание Трансоксианы монголами, султан Мухаммед Хорезмийский, потрясенный катастрофой, вызванной его легкомыслием и высокомерием, переходя от безумной брани к полной подавленности, ничего не предпринимал, а потом бежал в Балх. Оттуда он перебрался в Западный Хорасан, нашел убежище в Нишапуре, потом, по мере того как ужас его усиливался, бросился на противоположный край своих владений – в Газвин, в северо-западной части Персидского Ирака. Но Чингисхан отправил в погоню за ним конный отряд под командованием двух лучших своих военачальников: Джебэ и Субудая. Балх откупился, заплатив выкуп, и в него был назначен монгольский губернатор. Нишапур тоже избежал больших бедствий, выслав депутацию. Джебэ слишком спешил, чтобы задерживаться возле него. Зато Тус, Дамган и Семнан были разорены Субудаем. Два монгольских полководца, продолжая преследование Мухаммеда, ворвались следом за ним в Персидский Ирак и внезапным налетом захватили Рей, перерезали все его мужское население и обратили в рабство женщин и детей. Они галопом пронеслись мимо Хамадана и достигли Каруна, где Мухаммед едва не попал к ним в руки, а потом потеряли его след. Они отыгрались, разрушив Зенджан и Казвин. А несчастный Мухаммед тем временем спрятался на небольшом островке в Каспийском море, напротив Абескуна. Там он и умер от истощения приблизительно в декабре 1220 г. Позднее мы рассмотрим продолжение рейда Джебэ и Субудая через Азербайджан, Кавказ и Южную Русь.