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。