六月初一凌晨卯时，成吉思汗命令全军向讷思来忒忽堡发起总攻。
三百余辆放弩车将无数支火箭射入城内，不过因为讷思剌黑城都是土石建筑，所以并未引起城内大火。
成吉思汗又命令抛石车将无数块石头抛入城内，但因为城内防御工事非常坚固，花剌子模士兵都躲在工事下面，所以也没有造成多大伤亡。
成吉思汗见重兵器车的攻击收效不大，又见城墙上无花剌子模士兵防守，于是命令重兵器车推送攻城云梯至城下，准备命令攻城步兵开始攻城。
耶律楚才说，成吉思汗，城墙上虽然没有花剌子模士兵防守，但他们肯定躲在城墙下面或者防御工事里面，他们的兵力还有八万多，我们的攻城步兵现在不到一万，让他们攻城无异于让他们送死啊。
成吉思汗说，这也是没有办法的事，每个兵种都有每个兵种的责任，前些日子我们的蒙古骑兵也战死不少，我的弟弟也身负重伤。耶律楚才，这些攻城步兵都是撒马尔罕人，你派人把他们的名单都记下来，将来返回撒马尔罕时要给他们的家人多一些抚恤。
耶律楚才黯然。
随即成吉思汗命令攻城步兵通过攻城云梯向讷思来忒忽堡发起进攻。当这些攻城步兵手拿大刀、盾牌攻上城墙，躲在城墙下面和防御工事的花剌子模士兵立即围了上去，花剌子模骑兵更是冲锋在前。两军又上演了一场血腥的攻城战。
蒙古骑兵则在城墙下用射箭的方式干扰敌军，但是根据成吉思汗命令，他们暂时都不要上去参与攻城战。
攻城战持续了一天一夜，蒙古大军攻城步兵纷纷战死，所剩无几。
次日凌晨，成吉思汗见花剌子模大军也是死伤惨重，这才命令蒙古骑兵全部上马，通过攻城云梯进入城墙。
四万蒙古骑兵攻上城墙，犹如饿狼进入羊群，杀得花剌子模士兵没有招架之力，那些花剌子模骑兵也是伤亡惨重。