В 1219 году, когда монголы готовились к вторжению в Переднюю Азию, они располагали, по крайней мере в нескольких армейских корпусах, военной техникой. Во время войны в Китае они захватили осадные орудия и, главное, набрали военных инженеров китайцев и киданей, которых можно было использовать или заставить передать свой опыт кочевникам. Начиная с XI века китайцы изготавливали орудия, в которых применялся порох. Речь идёт не о мортирах, применение которых началось не ранее 1280 года, но о трубах, стрелявших дымовыми бомбами, которые, выпуская клубы дыма, приводили противника в замешательство.
Монголы использовали также более древние, по меньшей мере тысячелетней давности, орудия: осадные катапульты на массивных лафетах, способные метать длинные стрелы «на 200 больших шагов»; камнемёты, забрасывавшие камни на большие расстояния; осадные башни на колёсах (пин) с выдвигающимися, словно у современных пожарных машин, складными лестницами. Помимо этих осадных «лестниц на облака» при штурмах крепостей стали применять тараны и бомбарды с металлическими зарядами (тисюопао), а также «летающие огни» (фейсюо), которыми поджигали деревянные части укреплений.
Первой целью монголов был город Отрар, окружённый высокими стенами. Управлял им Инальчик Кадир-хан — тот самый, что распорядился убить посланника Чингисхана. Зная, что в случае пленения ему не избежать казни, он во главе осаждённого гарнизона сопротивлялся из последних сил. Персидские летописи сообщают, что осада города, начатая в сентябре 1219 года, продолжалась больше месяца, и, когда он был взят, градоправитель вместе с остатками гарнизона засел в цитадели. Когда у него кончились даже стрелы, Инальчик стал собирать кирпичи, чтобы метать их в осаждавших. Его захватили живым и, связав руки и ноги кожаными ремнями, привели к Чингисхану, который назначил для него особую, показательную пытку, по-видимому, практиковавшуюся у монголов: ему залили расплавленным серебром уши и глаза.
Другой армейский корпус, которым командовал Джучи, двигаясь по левому берегу Сырдарьи, дошёл до Хорезма и начал осаду крепости Сугнак. Как обычно, монголы потребовали от её защитников безоговорочной сдачи. Противник отказался, и конница Джучи начала яростный штурм, который продолжался в течение недели. Овладев наконец городом, монголы перерезали всех его жителей. Следующим на очереди был город Дженд на берегу Сырдарьи к северу от пустыни Кызылкум.
Тем временем отряды конницы под командованием Алак-нойона атаковали Бенакет к северу от Ходженда и к западу от Ташкента. Тюркские наёмники, оборонявшие его стены, сражались три дня, после чего согласились сдаться. Но, войдя в город, монголы перебили весь гарнизон. А всех жителей, по своему обыкновению, собрали в одном месте, после чего произвели отбор. Ремесленников частью распределили между боевыми отрядами, частью согнали в лагерь, чтобы отослать в Монголию. Женщин поделили между кланами. Остальных рассеяли по войскам, чтобы использовать в качестве заложников или живого щита между осаждающими и осаждёнными.
Затем настал черёд Ходженда в Фергане. Командующий крепостью Тимур-Малик был известен как опытный и храбрый воин. Он засел в крепости на берегу реки с тысячей отборных воинов, готовых драться, как львы. Персидские летописи уверяют, что крепость была так удачно расположена, что враг был вынужден мобилизовать на её взятие 20 тысяч воинов и 50 тысяч пленников, что следует считать явным преувеличением. Монголы использовали пленников для постройки моста из лодок через реку выше по течению. Потом пленников заставили нанести камней, чтобы затопить их под переходом, образованным из сцепленных лодок, и построить таким образом плотину, по которой конница прошла бы как посуху. Тимур-Малик умело противодействовал этим приготовлениям монголов. В его распоряжении тоже были лодки, и он использовал их для того, чтобы не давать покоя рабочим и надсмотрщикам, занятым устройством плотины. Но что могла сделать одна тысяча воинов против монгольской орды? Тимур-Малик собрал своих самых верных соратников и сумел спуститься с ними по Сырдарье, высадиться на берег и, уйдя от посланного за ним вдогонку вражеского отряда, невредимым достигнуть лагеря шаха.
Пока люди хана брали один за другим города восточного Хорезма, он со своим сыном Тулуем вошёл в Маверан-нахр — область, расположенную между реками Сырдарья и Амударья. Город Нур был взят хитростью. Переодевшись в караванщиков, монголы выдали себя за беженцев и, не опознанные часовыми, дошли до предместий города. Потом пробились через городские ворота, и местные власти, увидев, что дело проиграно, сдались. Жителей заставили покинуть город, а власти — выплатить дань в размере 1500 динаров. Город был разграблен, и повозки с награбленным добром последовали за войсками завоевателей.
В начале 1220 года подошли к Бухаре. Тогда это был один из самых красивых городов государства хорезмшахов, если не всего Востока. Расположенная на западном краю большого оазиса Зеравшан, вблизи пустыни Кызылкум, Бухара когда-то была столицей эмирата Саманидов — иранцев, обращённых в ислам, потом тюрок Караханидов и каракитаев. Бухара была известным религиозным и культурным центром, куда издалека приходили паломники, чтобы собраться в Пятничной мечети и у мавзолея Исмаила Саманида. Знаменитая своим ковроткачеством, Бухара была крупным торговым центром, имевшим своих финансовых агентов вплоть до Малой Азии и Египта. Вокруг города было множество ирригационных каналов (арыков) и подземных водоводов (каризов), которые обеспечивали подачу воды на поля. Благодаря системе водохранилищ, цистерн и шлюзов вода поступала в город, что позволяло мыть шерсть и разводить краски, применяемые в ковроткачестве. Менее чем через месяц и Бухара была захвачена войском Чингисхана.
Значительный гарнизон, состоявший из наёмников — тюрок-сельджуков, попытался совершить против монголов вылазку, которая окончилась трагически: все тюрки оказались запертыми в предместьях и были перебиты. В середине февраля Чингисхан бросил пленников на штурм городских ворот, и с помощью баллист ему удалось прорвать укрепления. Вскоре он сам вошёл в город. Последние защитники Бухары, укрывавшиеся в цитадели, были казнены, а жителей заставили выйти из города. Всех, кого потом монголы находили спрятавшимися в городских закоулках, убивали на месте.
Все персидские авторы сообщают, что разгром Бухары был чудовищным святотатством, что монголы выказали полное презрение к побеждённым, к их религии и культуре. В хрониках рассказывается, как монгольские всадники оскверняли святые места, бросали в нечистоты Коран и книги духовного содержания, как сам Чингисхан верхом на коне ворвался в большую мечеть, приняв её за шахский дворец. На виду у перепуганных молящихся он крикнул своим сопровождающим, что пора дать корм лошадям. Сотни горожан якобы предпочли покончить с собой, чем терпеть издевательства захватчиков. Мужчины убивали своих жён, чтобы те не стали жертвами похоти врага. Судья Садр ад-Дин, имам Руха ад-Дин и некоторые другие известные в Бухаре люди свели счёты с жизнью.
Джувейни приписал Чингисхану, виновнику всех этих злодейств, такие слова: «Я вам скажу, что я бич Всевышнего, и если бы вы не были большими грешниками, Аллах не обрушил бы меня на ваши головы». Арабский историк Ибн-аль-Асир в своём описании монгольского вторжения, включённом им в книгу «Аг-камил фи-т-Тарих» (что переводится как «Совершенная история»), так описывает одну из картин разорения Бухары: «Это был ужасающий день, слышны были только стенания мужчин, женщин и детей, которых навсегда разлучали: монгольские войска делили между собой население».
Финал трагедии ознаменовался гигантским пожаром. Город Бухара на несколько десятилетий прекратил своё существование. Зараза, распространяемая тысячами непогребённых тел, вскоре выгнала из города ещё остававшихся в живых. Окрестные крестьяне уходили далеко в поисках пристанища. Брошенные домашние животные погибли. Ирригационные каналы были разрушены, поля заброшены, опустошены и захвачены песками. От Бухары с её дворцами и мечетями остались лишь развалины.