От хорезмских купцов, которые торговали с уйгурами и китайцами, Хорезм-шах узнал о завоевании Чингиз-ханом Северного Китая. Он решил отправить посольство монгольскому правителю якобы для того, чтобы принести поздравления. Истинной же целью посольства была оценка военной мощи монголов. Чингиз-хан великодушно встретил послов и торговцев и в знак ответа послал своих представителей и торговый караван в Туркестан. Дипломатическая миссия, как и караван, состояла в основном из хорезмских и бухарских купцов, подданных Мухаммеда II, которые стремились расширить торговлю с Дальним Востоком и согласились стать агентами Чингиз-хана. Достигнув границ Хорезмской империи, караван остановился в городе Отрар, на берегу реки Сырдарьи; отсюда посланцы направились в Ургенч, чтобы добиться приема у шаха. Шах согласился побеседовать с ними, но одновременно губернатор Отрара (предположительно, действуя согласно секретному приказу шаха) приказал убить купцов Чингиз-хана и забрать их товары. Когда монгольский правитель получил известие об этих событиях, он послал представителя к Мухаммеду, требуя выдачи ему губернатора Отрара. Мухаммед не только отказался это сделать, но и приказал убить монгольского посланника. Сопровождающий посланника получил разрешение вернуться в Монголию, но только после того, как его борода будет обрита, что почиталось тяжким оскорблением. У Чингиз-хана теперь не оставалось выбора. Он срочно созвал курултай, на котором были рассмотрены и приняты к исполнению все необходимые планы кампании (1218). Предположительно, на этом собрании были систематизированы и одобрены в виде письменно зафиксированного кодекса, Великой Ясы, законы Монгольской империи.
Монгольская кампания против империи Хорезм-шаха была подготовлена столь же тщательно, как и против Китая. Джэбэ, без сомнения, мог дать полезный совет на основе своего рейда в близлежащую страну Кара-Кидань. В дополнение принималась во внимание вся информация о Туркестане, исходившая от мусульманских купцов, уйгуров и иных источников. В любом случае, как показали последующие события, Чингиз-хан был склонен переоценивать силу Хорезм-шаха. Чтобы увеличить свою армию, он отправил посланника к правителю тангутов с просьбой о дополнительных войсках. Ответ был далеко не дружелюбен: «Коли у Тебя нет достаточного количества войск, Ты не достоин быть ханом». Это было не что иное, как оскорбление. Однако, со своей обычной сдержанностью, Чингиз-хан решил отложить наказание тангутов до окончания туркестанской войны. Концентрация монгольской армии в Северной Джунгарии была завершена весной 1219 года. Основная армия состояла из 100 000 всадников. Значительное число воинов Чингиз-хана были ветеранами китайской кампании, которая также послужила отличной школой для его полководцев. Войска Хорезм-шаха насчитывали около 300 000, но большинство его воинов были значительно хуже подготовлены. Кроме того, у Мухаммеда II не было полководческого дара. Многие из его подданных скорее приветствовали бы назначение Джалал ад-Дина как верховного главнокомандующего, но, как уже говорилось, Мухаммед не доверял своему сыну, опасаясь, что в случае победы он придет к власти.
В сложившихся обстоятельствах Мухаммед одобрил план, который озадачил как его современников, так и большинство историков. Вместо концентрации своей армии для отражения нападения монголов он распылил войска, разместив значительную их часть в больших укрепленных городах, подобных Отрару, Бухаре и Самарканду; лишь перед некоторыми соединениями хорезмской армии была поставлена задача обеспечения коммуникаций между гарнизонами городов и полевого маневрирования. Тем временем были отданы приказания наместникам Персии собрать там резервную армию. План войны Мухаммеда мог базироваться на его оценке информации относительно китайской кампании Чингиз-хана, переданной ему послами, которых он направил к Чингиз-хану еще до разрыва между двумя властителями. До этого времени монголам не удалось взять штурмом ни одной крепости. Если таковы были расчеты стратегии Мухаммеда, то он жестоко просчитался. Чингиз-хан имел теперь в распоряжении множество китайских военных инженеров, готовых ему помочь. Неясно, были ли некоторые орудия осады, подобные катапультам, привезены из Китая, или все они строились непосредственно на месте мусульманскими техниками под руководством китайцев. Фактом является лишь то, что эти машины использовались во многих случаях. Когда не применялось никаких машин, монголы использовали элементарные приспособления и тактику при осаде укрепленных городов, подобных Отрару и Бухаре, например заполнение рвов грязью и камнями или постройку осадных конструкций для штурма стен. Предположительно, этими работами руководили китайские инженеры или же обученные ими монголы. Военнопленные и призванные для отбывания воинской повинности местные жители использовались в качестве рабочей силы. Во многих случаях их первыми посылали на штурм стен, большинство погибало, но это мало беспокоило монголов.