三更时分，怯失利汗命令守城士兵悄悄打开城北大门，扎木合即率领一万骑兵从北门冲出城去，直奔蒙古大军营地。
蒙古大军行军多日十分疲惫，正在营里呼呼大睡。还好成吉思汗布置了上万人的哨探，见花剌子模骑兵冲出来，赶紧一边敲锣预警，一边组织抵抗。
蒙古骑兵从睡梦中惊醒，都有点懵了了，他们没想到花剌子模骑兵居然主动发起进攻。不过蒙古骑兵反应很快，迅速发起反攻。
成吉思汗率领的四支骑兵万人队可以说是蒙古骑兵的精英。纳牙阿的第一万人队是成吉思汗的亲兵侍卫队，全部由原蒙古乞颜部那颜（即高级将领）子弟组成，战斗力最强；博栾台的第二万人队，负责保卫汗庭安全，战斗力也很强。哲别的第七万人队则个个都是神箭手，速不台的第七万人队则擅长长途奔袭。
成吉思汗迅速指挥四支骑兵万人队对一万花剌子模骑兵进行围剿，花剌子模骑兵不敌蒙古骑兵，只得向南撤退。
成吉思汗命令骑兵第二、第三、第四万人队对花剌子模骑兵追击。自己则带第一万人队封锁不花剌城城门，防止再有花剌子模军队出来攻击蒙古营帐。
三万蒙古骑兵向北追出五十里，一路斩杀了不少花剌子模骑兵，见敌军已经所剩无几，才班师回撤。
扎木合仅带领几百名亲兵逃脱，他们不敢再返回不花剌城，只得绕道逃回撒马尔罕。
次日凌晨，成吉思汗命令全军开始攻城。一百辆放弩车和一百辆抛石车将大量的长箭、石块发射、抛掷掷入城。花剌子模士兵无法抵挡，只能躲在城墙下面。
一个时辰后，成吉思汗见城墙上没有士兵了，就拔出佩刀命令，攻城云梯和步兵给我冲！
上万步兵押运一百辆攻城云梯向城墙下面推进。
就在这时，一个身着伊斯兰教袍的男子来到蒙古大军面前，请求拜见成吉思汗。
成吉思汗问，你找我干什么？
该男子说，不花剌城伊斯兰教长本来劝说不花剌城最高长官怯失利汗投降蒙古大军的，但是被他拒绝了，所以教长派我翻墙出来，面见成吉思汗，只要您还是答应不杀戮城内百姓，我们就打开城南大门，迎蒙古大军进城。
成吉思汗说，你回去告诉你们教长，一个时辰后你们如果打开城门迎蒙古大军进城，我就赦免城内百姓死罪。
该男子说，我马上返回城内，报告教长，设法打开城南大门。
该男子去后，哲别说，成吉思汗，小心有诈，如果一会儿城南大门真的打开，里面却是花剌子模的伏军该如何是好？还是末将率领一千骑兵前去一探究竟。
成吉思汗说，我估计不会，不过慎重起见，你就带领一千骑兵先冲进城去，记住！进去后先控制城门，如有不测我马上调集军队前来增援。
于是成吉思汗一边命令博尔术、镇海和耶律楚才继续指挥重兵器车兵和攻城步兵攻打城北大门，一边和铁木格等将率领蒙古骑兵缓缓向城南大门移动。