占领不花剌后，成吉思汗又率军前往河中府撒马尔罕，蒙古军驱赶着从不花剌征集的大军，沿途村落，一经投降，便一无所伤；凡进行抵抗者；则留兵围攻。当蒙古军攻打讹答剌时，花剌子模王摩诃末曾预征三年的赋税拟筑长围保卫河中府。但成吉思汗率军到来的消息传出后，摩诃末留下数万人守城，自己却从该城退走⑧。成吉思汗到达后，遣大将哲别、速不台率军追击摩诃末，自己则用两天的时间“巡视城池，观察墙垣、外垒和城门”⑨。察合台、窝阔台也从讹答剌领兵来会。第三天，成吉思汗下令围城，蒙古军和在当地征集的签军将撒马尔罕团团包围，水泄不通。守军组织突围，被蒙古军击溃。他们又用战象冲击蒙古军阵，双方都有很大伤亡。但蒙古军击退象阵，逃回的大象反而践踏了守城的步兵，城内军民陷于混乱。第五天，守军和城民终于决定投降。扩蒙古军入城后，拆除了城墙和外垒等防御设施，将居民赶到城外，只有献城的居民代表、法官和宗教首领的家属约五万人受到了保护。藏匿不出者，一旦被发现便遭杀害。这时，内堡的守军也陷入混乱，他们“吓得心胆俱裂，既不敢挺身抵抗，又不能转身逃跑”⑩。有一支千人敢死队拼命冲出内堡，去与算端会合，其余的人只好龟缩在内堡之中。第二天，内堡被攻陷，守军退入大清真寺，用火油筒和方镞箭进行抵抗，蒙古军也用火油筒回击，经过一番激烈的战斗，内堡中的人也全部被赶到城外。蒙古军将突厥人的头发剃成蒙古式样，对他们进行了收编，而将约三万名康里将卒全部杀死。居民中有技艺者三万人被分给了成吉思汗诸子和族人，又将同样数目的丁壮收编为签军，令其随军参与征战。其余的人在缴纳一定数目的赎金后，被允许回城。同时任命契丹人耶律阿海为达鲁花赤，镇守该城。
完成对河中地区的征服后，成吉思汗开始作下一阶段的部署，西征战事进入第二阶段。他派察合台、窝阔台率军征讨花剌子模，令术赤自毡的前往与二弟会师，自己则作进军呼罗珊的准备。
成吉思汗命哲别、速不台追袭摩诃末时，指示说：“朕命你们去追赶花剌子模沙算端，直到将他们追上为止，如果他带领军队来攻打你们，你们无力抵抗，可马上（向我）报告，如果他力量不大，可（与他）对敌！因为我们不断接到消息说，他怯弱、害怕、心惊胆战，他一定敌不过（你们）。……如果他被你们打垮后，带着几个人躲到陡山、狭洞里，或者像‘必里’（伊朗神话中犯罪的天使）般躲过了人眼，你们要像强风似地吹进他的国土上去；归顺者可予奖励，发给（保护）文书，（为他们指派）长官；流露出不屈服和反抗情绪者一律消灭掉。”
当蒙古军围攻撒马尔罕时，花剌子模王摩诃末便放弃了首都玉龙杰赤，逃往阿姆河南的卡利甫一带，准备防守阿姆河一线。但花剌子模统治集团内部矛盾重重，无法组织有效的防御。成吉思汗又采纳讹答剌城降人的建议，施用离间之计，加剧了他们之间的互相猜忌。哲别、速不台按照成吉思汗的指示紧跟摩诃末之后，穷追不舍。沿途所经之地，凡迎降者，为其指定长官后，立即率军离开；个别地区虽不曾迎降，也因行军匆忙，不曾停留；个别村镇，居民们的无礼行为触怒了他们，才遭到攻城和屠杀的厄运。
不花剌、撒马尔罕相继陷落后，摩诃末匆忙逃到你沙不尔（今伊朗霍腊散省内沙布尔），路上还险些被属下的突厥将士杀死。哲别、速不台跟踪渡河追至巴里黑（今阿富汗境内阿姆河南马扎里沙里夫西，卡利甫西南）。消息传入你沙不尔，摩诃末又仓惶逃往可疾云（今伊朗德黑兰省加兹温）。1220年6月，蒙古军又跟踪追到了你沙不尔，并向当地权贵们派出了招降使者，向表示归附的人们发放了成吉思汗诏敕的副本。哲别、速不台分兵追袭。速不台军经徒思（今伊朗霍腊散省马什哈德北）、哈布商（今霍腊散省古昌）、担寒（今伊朗马赞德兰省达姆甘）、西模娘（今伊朗德黑兰省塞姆南），至刺夷（今伊朗德黑兰之南）；哲别经志费因（今伊朗霍腊散省札哈台），进入杩拶答尔（今伊朗马赞德兰），经剌夷尾追摩诃末至哈马丹（今伊朗西部哈马丹）。摩诃末在哲别率到来之前，离开哈马丹又转匿于可疾云附近诸堡。蒙古军的步步紧追，使他无法在任何一个地方安身。这期间，蒙古军曾与摩诃末军遭遇，由于他们不知道那是摩诃末的队伍，虽射伤了驮载重物的马，却使摩诃末本人得以逃脱。最后，他逃到了宽甸吉思海（里海）中的一个岛上。他在群岛中转来转去，蒙古军没有找到他，却袭击了他的后妃和金库所在的堡寨，夺得了他的金库，俘虏了他的后妃，杀死了他的儿子。1220年底，摩诃末在悲痛与惶恐中死于海岛。死前，传位于其子札兰丁。
当摩诃末撤离阿姆河防线时，其母秃儿罕哈敦也撤离首都玉龙杰赤逃往杩拶答尔。后来，追击摩诃末的蒙古军围困了她栖身的堡寨，守兵坚持四个月后，因寨中无水出降，秃儿罕哈敦也作了蒙古军的俘虏。
当秃儿罕哈敦离开玉龙杰赤时，城内尚有守兵九万人。1220年夏，忽毡守将帖木儿蔑力兵败后退入这里。他整顿了城防，并以此为根据地反攻术赤军，一度夺回养吉干。摩诃末死后，新算端札兰丁曾自里海返回故都，但城内的康里军素与札兰丁不和，他们策划发动政变杀死他。于是他又撤离这里开赴呼罗珊，帖木儿灭里率三百骑与他同行。玉龙杰赤群龙无首，秃儿罕哈敦的族人康里将领忽马儿（又作乌马儿）的斤被拥为算端。1220年秋，西征战事进入第二阶段。成吉思汗派三子术赤、察合台、宽阔台进击玉龙杰赤。术赤率本部军自毡的出发，察合台、窝阔台自不花剌进入花剌子模境。蒙古先锋军在城外一程之地设下埋伏，派少数将士进至城下，当守军出城袭击时，他们迅速撤离，将花剌子模军引入伏击圈，杀死守军一千余人后退回宿营地。
玉龙杰赤城横垮阿姆河两岸。蒙古主力到达后，在城周围结下环形营垒，一方面准备攻城的武器和代替石头的木料，一方面照例遣人谕降。准备就绪后，他们用火油筒攻城，城内守军也进行了顽强的抵抗。后来，他们又以三千人夺取连接两城的桥梁，结果三千人全部被守军杀死。此后，守军斗志高昂；而蒙古军却因术赤与察合台的严重不和，导致指挥混乱，号令不一。围攻玉龙杰赤的战斗进行了数月，军事上却毫无进展。消息报告到成吉思汗处，他命令由窝阔台担任全军统帅，指挥攻城。窝阔台调解了两位兄长的矛盾，坚古代风景画鉴赏定地执行成吉思汗的命令，使蒙古军齐心协力投入战斗，终于攻占了这座城市。他们照例将居民驱往城外，将其中的十万名工匠送到了蒙古本部，妇女和儿童全部成了俘虏，其余的人则全部遭到杀害。他们在掠夺和洗劫了这座城市后，又决阿姆河水灌城，使花剌子模的都城变成了一片汪洋。
成吉思汗在撒马尔罕住了一段时间后，就移军那沙黑不（今乌兹别克斯坦哈尔希）附近草原，休养士马，一俟秋高马肥，他与幼子拖雷便开始了向阿姆河南呼罗珊地区进军的行动。大军自那沙黑不经铁门关（今乌兹别克斯坦沙赫尔夏勃兹南九十公里拜松山中的布兹加勒山口）南下，抵达阿姆河北岸的忒耳迷（今乌兹别克斯坦克尔梅兹）。忒耳迷军民依靠坚固的城防，充足的装备，坚持抵抗了十一天。经过激烈的战斗，成吉思汗的军队终于攻下了这座城市。居民们因进行了抵抗而悉数被杀。然后，他分兵攻略附近城寨，派拖雷进军呼罗珊，还派出一支军队进入巴达哈伤（喷赤河与兴都库什山之间）地区。
这一年，成吉思汗在阿姆河北驻冬。1221年春，他领兵渡过阿姆河，抵达河南重镇巴里黑（今阿富汗北部马扎里沙里夫西）城下，城中首领送上礼物归降。接着他领兵东向围攻塔里寒寨（在今阿富汗木尔加布河上游之北）。塔里寒军民据险固守，蒙古军与守军激战七个月仍未能将其攻下，直至拖雷奉命前来会师，才将堡寨攻克。守堡军民被杀，城堡、房屋被毁。成吉思汗驻军塔里寒。
拖雷奉命出师呼罗珊时，成吉思汗下令从诸军中各抽调十分之一的勇武之士，由他指挥。呼罗珊地区分为四个城区：巴里黑、马鲁（今土库曼斯坦马里）、也里（今阿富汗西北赫拉特）、你沙不尔。拖雷将其军队分为三部分，他自统中军，与左、右两翼向除由成吉思汗征服的巴里黑以外的其余地区发动了全面进攻。“两三个月内，拖雷征服了许多城镇，其人烟如此稠密，以至每个镇区本身就是一座城池，而且人群汹涌，其每座城镇都是海洋；整个地区变得像掌心，造反的豪杰就被粉碎在毁灭之掌中”。上述地区在哲别、速不台追袭摩诃末时，几乎都曾经历过兵燹，但当时，两将的主要任务是追袭摩诃末，凡不曾抵抗的城池，一律在接受了蒙古军委派的达鲁花赤后，发给了优待文书、诏敕。但是，其中的一些城镇，在蒙古军远离后，相继起兵反抗。拖雷军到达后，凡曾经反叛的城镇，都遭到了又一次洗劫。其中以马鲁、你沙不尔为甚。
当哲别的军队到达时，马鲁城曾接受了蒙古军委派的长官和成吉思汗的木牌子。而后。他们背叛并袭击了一支蒙古军。拖雷军再至，洗劫了这座城市，将居民中的四百工匠和部分童男女掠走，其余的则全部被杀，城市也被夷为平地。蒙古军退去后，一些隐藏在洞穴中或逃亡返回的人又重新聚集，不幸又再次惨遭杀戮。你沙不尔也遭到了同样的命运。
花剌子模，呼罗珊相继征服后，成吉思汗召诸子大会于塔里寒寨。下一个军事目标就是消灭新算端札兰丁。
札兰丁无论智慧还是勇武，都远在乃父之上。他自玉龙杰赤出走时，参与保卫玉龙杰赤的忽毡长官帖木儿灭里跟随了他，他们途经奈撒（今土库曼斯坦的阿什哈巴德东）时，击溃了一支驻守该地的蒙古军，取得抗击蒙古入侵的首次胜利。这一胜利鼓舞了一些地方的首领，于是在他前往自己的封地哥疾宁时，马里都督阿明灭里（灭里可汗）率五万军队，另一大臣赛甫丁也率四万人相继来投。为了镇守哥疾宁、可不里（今阿富汗首都喀布尔）一带的道路，1222年，成吉思汗派失吉忽秃忽、帖克扯克等前往这一地区进行征伐和警戒。札兰丁击败了帖克扯克率领的蒙古军先头部队一千多人。4月，又在八鲁湾（今阿富汗查里卡东北）大败失吉忽秃忽。八鲁湾之战是蒙古西征中损失最重的一次，也是自抵抗以来花剌子模一方取得的最大胜利。消息传开，被占城镇纷纷起义反抗，杀死蒙古戍将，蒙古人受到了前所未有的挫折。于是成吉思汗亲率大军，日夜兼程，追赶札兰丁。而得胜后的札兰丁部下，却因分配战利品发生了争执甚至分裂。札兰丁听到成吉思汗前来追袭的消息，放弃了自己的根据地，向辛河（亦作申河，今印度河）方向撤退，准备渡河避难。
蒙古大军抵达哥疾宁时，札兰丁已离开半月之久。成吉思汗视察了八鲁湾战场，指出了战略指挥上的错误；任命牙剌瓦赤为哥疾宁长官，然后火速向辛河方向追击。在辛河岸边，他们追上了札兰丁，为了防止札兰丁渡河逃走，并打算生擒他，成吉思汗命令连夜组织进攻。他下令：“不得用箭射伤算端，要设法（将他活）捉到手！”⑩蒙古军发动了强大的攻势，阿明灭里总右翼军，战败后向白沙瓦方向逃跑，被蒙古军追及后杀死，左翼军也发生了动摇。只有札兰丁自统的中军左右拼杀，坚持战斗。由于没有发出改变生擒的命令，军士们不能向他射箭，只是把他紧紧地包围起来。当他意识到突围无望后，便换乘生马向蒙古军猛冲过去，迫使他们后退，“接着他疾驰向后，扯紧缰绳，背上披着盾牌，拿住屏伞与徽牌，用鞭子抽打了一下马，像闪电般地过河去了”⑥。蒙古军准备过河追击，被成吉思汗阻止了。札兰丁知道自己无法取胜时，已先将妃嫔、子女和金银珠宝投入河中。及至他逃到对岸，蒙古军将他的士兵全部消灭然后动手打捞被他遗弃的珍宝。
成吉思汗驻军白沙瓦，命八剌和朵儿拜（朵儿伯）那颜率领二万蒙古军渡河继续追击札兰丁，同时分兵遣将镇压各地的起义。八剌等进入印度境内，攻占了一些城镇，但始终没有找到札兰丁的下落。天时向暑，蒙古人不耐暑热，遂班师与成吉思汗会合。这一年，成吉思汗在八鲁湾驻夏，并在这里接见了长春真人邱处机，9月，回师撒马尔罕。算端札兰丁则因不为德里算端所容，离开那里回到了波斯。
奉命追击摩诃末的哲别、速不台在1220年秋进入阿哲尔拜占（首府桃里寺，即今伊朗东阿塞拜疆省大不里士），当地统治者纳金钱、牲畜请降。1221年，他们又进入谷儿只（今格鲁吉亚共和国），败其守军。因那里林密路险，他们又自桃里寺往攻蔑剌合（今伊朗东阿塞拜疆省马腊格），并镇压了那里人民的反抗斗争。1222年春，他们再入谷儿只，转战沙马哈（今阿塞拜疆舍马合）、打耳班（今达格斯坦自治共和国捷尔本特），逾太和岭（高加索山）入阿速人（也作阿兰，在太和岭北麓）、钦察人（里海、黑海以北，东起乌拉尔河西至顿河的辽阔草原）地区。
他们离间和破坏了钦察与阿速人的联盟，以各个击破的方式打败了阿速、钦察，进入钦察草原。钦察部落首领向斡罗斯诸侯求援，由于指挥不一，诸侯各自为战，损失惨重，蒙古军长驱直入，自斡罗斯南部沿黑海北岸进入克里米亚半岛。1223年底东返，经亦的勒河（伏尔加河），攻下不里阿耳。然后沿黑海、里海北岸回师与成吉思汗会合。
这次西征，南至印度，西至伊拉克、阿塞拜疆、黑海北岸，北达斡罗斯的基辅，历时六年。
注释
①苏丹，亦译作算端。苏丹桑贾尔是塞尔柱王朝统治时间最长的苏丹，摩诃末袭用他的称号，以示自己的强大。
②的那、巴里失，花剌子模货币单位，七十五的那相当于一个巴里失。
③蒙古人尚白，在纯白色毡帐接待商人是对他们友好和尊重的表示。
④参见《史集》第一卷第二分册第二编（乞台与摩至那诸合罕、哈剌契丹、突厥斯坦与河中的君主，伊朗、苫国、密昔儿、鲁木、马格里布卜等国哈里发、算端、蔑力、阿答毕传》。
⑤⑥《世界征服者史》第一部Ⅵ《征讨算端诸地的原因》。
⑦《史集》第一卷第二分册第二编《乞台与摩至那诸合罕、哈剌契丹、突厥斯坦及河中的君主，伊朗、苫国、密昔儿、鲁木、马格里布卜等国哈里发、算端、蔑力、阿答毕传》。
⑧关于守城兵力，有四万、六万、十一万等不同说法。
⑨⑩《世界征服者史》第一部《撒麻尔干的征服》。
康里，游牧于乌拉尔河以东至成海东北的突厥部落。
《史集》第一卷第二分册第二编《叙述成吉思汗派遣哲别那颜、速不台那颜去追击花剌子模王、马合谋算端，并叙述伊朗地区上诸国的征服》。
哈敦，突厥语，夫人、皇后。
娥民归降后的命运，诸史家说法不一，有的记载说花剌子模算端札兰丁一直在这一带活动，成吉思汗对居民的纳款表示怀疑，城民全部被杀；有的记载说城民获得了宽宥。参见《元朝史》。
《世界征服者史》第一部xxvl《拖雷征服呼罗珊简述》。
《史集》第一卷第二分册第二编：《成吉思汗纪·叙述成吉思汗追击札兰丁算端，算端在辛河上战败后渡过了辛河》。