一月十一日凌晨卯时三刻，蒙古大军开始攻打忒耳迷城。两百余辆蒙古重兵器车通过放火箭、抛石块的方式攻击忒耳迷城城墙。忒耳迷城守军也不甘示弱，使用重兵器车进行还击。
这样连续进攻了十日，忒耳迷城守军的重兵器车本来比蒙古重兵器车少，渐渐不敌蒙古大军。
经过十天的战斗，忒耳迷城重兵器车有些被火箭烧毁，有些被石块砸坏，已经所剩无几，很多忒耳迷城守军也被射死、烧死、砸死。更致命的是，之前存储的长箭和石块也消耗殆尽。
一月二十一日，成吉思汗命令全军发起总攻。总攻之前，成吉思汗按照惯例作了动员讲话。
成吉思汗说，蒙古勇士们！忒耳迷城是一个盛产美女的城池，也是花剌子模有名的富裕之城，城内美女如云，也有很多的金银珠宝店。这么久你们征战辛苦了！攻入城内后，所有士兵包括我们的攻城步兵都可以进城任意奸污妇女，然后再把城内百姓全部杀死，最后把他们的金银珠宝和粮食物资全部抢光。抢来的银子铜钱你们可以自己留着，黄金珠宝我们统一分配，不管是骑兵还是步兵，是蒙古人还是其他民族的人，都能分到属于你们的一份财富。蒙古勇士们，放手去干吧！
随着成吉思汗一声令下，蒙古大军开始大规模的攻城。一百余辆攻城云梯在毫无阻挡的情况下顺利开至城下，两万攻城步兵在四万蒙古骑兵的掩护下攀爬城墙，攻城步兵很顺利的爬上城墙。
不过爬上城墙后，忒耳迷城长官带着剩下的守军对蒙古攻城步兵发起进攻。蒙古攻城步兵都是花剌子模人征召而来的，他们不想和自己的同胞厮杀，但是也不敢逃跑，于是他们拼死向城门逃跑。在付出巨大的伤亡后，蒙古攻城步兵搬开堵在城门的若干块巨石，打开城门，迎蒙古骑兵入城。
四万蒙古骑兵进城后，迅速攻上城墙，对忒耳迷城守军进行剿杀。两个时辰后，将近十万的忒耳迷城守军几乎全部被杀死，忒耳迷城长官在身负重伤后挥刀自刎。