Тем не менее, армия, подошедшая к Отрару, была велика и, скорее всего, превышала сто тысяч воинов. Войско включало в себя и значительный отряд "камнеметчиков" (вероятно, тумен) с сотнями боевых осадных машин и большим количеством инженеров, которые при необходимости были способны быстро удвоить и утроить этот парк. После оценки ситуации Чингисхан отказался от немедленного штурма Отрара: город был хорошо укреплен, а его жители, понимая, что уж им-то пощады не будет, собирались сражаться до последней капли крови. Тогда хан оставил под стенами города два монгольских тумена под руководством Джагатая и Угедэя с необходимым количеством вспомогательных осадных сил. Еще одну войсковую группу (два тумена?) он направил на юг, к Бенакенту и Ходженту; сам же с главными силами двинулся к Бухаре – сначала вверх по Сырдарье, а затем, после переправы, вдоль южного берега озера Айдар-куль. Туда же, навстречу ему, из Бадахшана должен был пробиваться Джебэ – главной целью этой, действующей из "подбрюшья", группировки, был, по-видимому, Самарканд.
Таким образом, война разгорелась сразу на нескольких фронтах. На севере, в низовьях Сырдарьи, весьма успешно действовал корпус Джучи, занимая город за городом почти без борьбы. Отрар был надежно блокирован и, несмотря на отчаянное сопротивление жителей и личный героизм Иналчук Каир-хана, после пятимесячной осады взят штурмом в начале весны 1220 года. Несколько затянулись дела на юге, под Ходжентом, где исключительное упорство проявил бесстрашный хорезмиец Тимур-Мелик. Не располагая значительными силами, – Ходжент в системе обороны не считался приоритетным, – Тимур-Мелик, засев на острове посреди Сырдарьи, несколько месяцев отражал атаки монголов, а при любой возможности атаковал их сам. Наконец, изведя все припасы, он с тысячей верных людей прорвался сквозь монгольские защитные кордоны вниз по Сырдарье и ушел на север.{В низовьях Сырдарьи отряд Тимур-Мелика был настигнут и уничтожен войсками Джучи, но сам Тимур-Мелик ушел от погони и прорвался в Хорезм (Гургандж).}

Штурм монголами персидского города. Персидский рисунок XIV в.
Однако геройски действовавший Тимур-Мелик оказался среди полководцев хорезмшаха скорее исключением, чем правилом. Вся кампания 1220 года была ими бездарно провалена, а инициатива всюду принадлежала монголам. Это особенно ясно видно на примере действий основного войска Чингисхана. В феврале 1220 года ханская армия, взяв по пути два города, подошла к Бухаре. Бухарский гарнизон был достаточно велик, – тридцать тысяч человек, – но его командующий, эмир Кутлуг, посчитал, что положение безнадежно, и решил спастись вместе с войском, пока монголы не обложили город окончательно. Ему удалось пробиться, и армия Кутлуга двинулась к Амударье, но здесь была настигнута монголами и почти без сопротивления уничтожена до последнего человека. После этого Бухара вынуждена была открыть ворота победоносному монгольскому хану. Лишь четыреста храбрецов засели в городской цитадели и оборонялись еще двенадцать дней. Обозленные этим сопротивлением монголы сожгли Бухару, мужчин забрали в хашар (впереди был Самарканд), молодых женщин поделили между собой. В городе осталось лишь несколько тысяч стариков и детей, судьба которых также была плачевной.
Известие о падении Бухары оказалось страшным ударом для хорезмшаха Мухаммеда. В Мавераннахре у него теперь оставалась только одна опора – Самарканд, а к сбору армии за Амударьей еще и не приступали. И шах спешно покидает Самарканд и бежит за Амударью – в надежде личным присутствием поторопить неповоротливых беков и эмиров. Но его упования оказались тщетными.
Чингисхан же стремительным маршем двинулся к Самарканду и уже в марте оказался под стенами этого города. Вскоре сюда же подходят войска Джебэ, а затем, после падения Отрара, и армия Джагатая и Угедэя. Все же, несмотря на значительную величину монгольского войска, положение Самарканда вовсе не являлось безнадежным. Число его защитников было сопоставимо со всей монгольской армией; в городе имелись огромные запасы оружия и продовольствия. Однако трусость властей и бездарность воевод привели его к быстрому и печальному концу. После первой же неудачной вылазки гарнизона высшие чины Самарканда – казн и шейх-уль-ислам – решили сдать город без боя. Лишь небольшая часть жителей решила защищаться, но ее сопротивление было быстро сломлено: монголы в массовом порядке применили свои осадные машины и забросали защитников камнями и горшками с горящей нефтью. На третий день огромный город пал; всех захваченных с оружием в руках монголы безжалостно перебили (погибло около тридцати тысяч человек), с остального населения был взят огромный выкуп в двести тысяч динаров. При этом тысяча лучших ремесленников была роздана монгольской знати и впоследствии уведена в Монголию. Позже такое стало обычным делом, и мало кто из этих ремесленников увидел вновь родной дом.
Взятие Самарканда означало полный крах всей обороны Мавераннахра. Еще некоторое время держался Ходжент, защищаемый героическим Тимур-Меликом, но уже к маю почти весь Мавераннахр был захвачен монголами. Здесь же, под Самаркандом, Чингисхан принял еще несколько важных стратегических решений, окончательно определивших судьбу войны. В первую очередь, он отправляет в погоню за бежавшим хорезмшахом три тумена лучших монгольских воинов. Во главе этих туменов – пожалуй, самые талантливые полководцы Чингисхана: импульсивный и неистовый Джебэ-нойон, спокойный и рассудительный Субэдэй-багатур, самолюбивый и непослушный Тохучар. Войску велено было преследовать хорезмшаха хоть до края света и не возвращаться, пока он не будет захвачен или убит. Впоследствии Тохучар за нарушение инструкций Чингисхана был отозван из армии и разжалован в рядовые; судьба его тумена неясна, но, по-видимому, в знаменитом в истории рейде Субэдэя и Джебэ он участия не принимал.{О рейде Субэдэя и Джебэ, далеко выходящем за рамки Среднеазиатского похода, будет рассказано особо.}
Большие силы были направлены Чингисханом на столицу Хорезмийского султаната – город Хорезм (иначе – Гургандж). Их возглавляли сыновья хана, Джагатай и Угедэй; от низовьев Сырдарьи им в поддержку двинулся корпус Джучи. Два его тумена оказались у Хорезма раньше, и первенец Чингисхана сделал попытку захватить город, не дожидаясь братьев. Однако его атака закончилась неудачей: оборону Хорезма к этому времени возглавил героический Тимур-Мелик. Вдобавок город был великолепно защищен, в том числе и самой природой, и монголам пришлось приступить к планомерной осаде.
В январе 1221 года в Хорезм прибывает старший сын Мухаммеда, Джелал ад-Дин, с печальным известием о смерти отца, скончавшегося в печали и горе на одном из островов Каспийского моря, где он пытался спрятаться от победоносных туменов Джебэ и Субэдэя. Но вместе с этим Джелал ад-Дин объявляет, что перед смертью отец отнял наследование у малолетнего Озлаг-шаха и назначил наследником его самого. В городе немедленно вспыхивает борьба за власть между сторонниками Озлаг-шаха, которых возглавляют мать Мухаммеда, Туркан-хатун, и поддерживающие ее кыпчакские беки, – и туркменскими соратниками Джелал ад-Дина. Джелал ад-Дин терпит поражение и бежит из города; к нему присоединяется и Тимур-Мелик. Монголы, для которых эта грызня – как бальзам на душу, практически не препятствуют их бегству. После утраты своих лучших защитников Хорезм, в сущности, обречен; но тут вспыхивает подобная же распря среди самих монголов. Джагатай и Джучи, взаимно ненавидящие друг друга, полностью отказываются от совместной осады и действуют кто во что горазд. В ситуацию пришлось вмешаться Чингисхану, который в своем послании грозно обрушивается на двух братьев-врагов и передает все военное руководство армией под Хорезмом в руки Угедэя. И после семи месяцев осады и семи дней отчаянных боев на улицах города столица Хорезмской державы падает под монгольским натиском.