Cултан уклонялся от прямых столкновений, у него уже не было прежней твёрдости, все помыслы его были бежать, как можно дальше. Его сомнения в том, что он может противостоять Чингисхану, усиливались. Он поручил защищать свои земли и владения своим генералам и союзникам. В Самарканд были направлены войска численностью 110000 тысяч человек, из которых 60000 были тюрки, которые составляли лучшую часть войска султана. Другую часть армии составляли 50000 отборных воинов таджиков, подкреплённых 20 слонами. Они были покрыты кольчугами, переливающимися множеством цветов. Воины предполагали, что они будут служить защитой царской коннице и пехоте. Численность городского населения была так велика, что не поддавалась учёту. Цитадель была серьёзно укреплена, вокруг неё было возведено несколько рядов укреплений с высокими стенами, а вокруг стен были выкопаны рвы, которые заполнили подземными водами.

Чингисхан прибыл в Отрар, до него дошли слухи о крепости стен Самарканда и о многочисленности его гарнизона, шли разговоры о том, что потребуются годы, чтобы взять город, не говоря уж о крепости. Исходя из объективной ситуации он счёл целесообразным первым делом очистить прилегающую территорию, а уже потом организовать штурм города. Он двинулся на Бухару и, после того, как город был захвачен он успокоился и решил, что настала очередь Самарканда. Он собрал огромное войско невольников, набранных в Бухаре. Деревни, которые встретились ему на пути, покорялись добровольно он не допускал мысли уничтожать их, но, если они оказывали сопротивление, как Сари-Пул или Дабусия, он оставлял там войска для осады, а сам без остановок двигался дальше, пока не пришёл к Самарканду. Его сыновья покончили с Отраром и также прибыли с огромным войском, собранным к городу. Было решено разбить лагерь Чингисхана в Кок-Сарае. Остальные войска, прибыв, также расположились лагерем в окрестностях города.

Чингисхан лично объехал город, чтобы осмотреть стены и укрепления, при этом он удерживал своих людей от начала ведения боевых действий. В это же время отправил Джеме и Субутая, которые пользовались его особым доверием, в погоню за султаном во главе тридцатитысячного войска. Чадай-нойон и Ясаур были направлены в Вахш и Талекан.

На третий день собралось многочисленное войско могуллов и пленников. Они расположились кольцом вокруг города. Алп Эр-хан, Шейх-хан. Бала-хан и некоторые другие ханы внезапно выступили из крепости, приблизились к войску завоевателя и выпустили свои стрелы. При этой первой схватке погибло много людей с обеих сторон, пеших и конных. В тот день тюрки султана вступали в стычки с могуллами, убивали одних, захватывали в плен и приводили в город других, но и сами они потеряли тысячу своих воинов.

К ночи противники разошлись по своим стоянкам. Ночью Чингисхан сел на коня и лично расставил свои войска вокруг города. Обе стороны приготовились к бою. Непрерывно стреляли из луков. Баллисты поднимали в воздух камни и стрелы. Могуллское войско подошло к самым городским воротам, лишив войска султана возможности выйти на поле сражения. Защитники бросили в бой слонов, но могуллы не обратились в бегство, напротив, своими стрелами они поразили тех, кому слоны служили препятствием, и смяли ряды пехоты. Слоны были ранены, и от них было никакой пользы, они повернули назад и подавили множество своих людей. Наконец, к ночи защитники города закрыли ворота.

Ала Ад-Дин Ата-Мелик Джувейни так описывает дальнейшие события:

«Жители Самарканда были напуганы этой битвой, и их страсти и мнения разделились: одни желали сдаться и покориться, в то время как другие испытывали страх за свою жизнь; одни, следуя велению неба, не желали заключения мира, а другие, под воздействием силы, исходящей от Чингисхана, не решались продолжить сражение. Наконец, на следующий день, когда сверкающее солнце осветило все вокруг своим блеском, а чёрный ворон небосвода уронил свои перья, ввиду смелости и бесстрашия могуллского войска, и нерешительности и сомнений жителей Багдада, последние оставили мысли о войне и перестали сопротивляться. Кади и Шейх-Уль-Ислам вместе с несколькими имамами поспешили к Чингисхану; его обещания ободрили их и укрепили их силы, и с его разрешения они вернулись в город.