蒙军派使臣劝降失败后，便开始做攻城的准备。
因为花剌子模首都“玉龙赤杰”，四周其实都是戈壁平原、沙地，没有足够的山石，可用于投石机作为弹药。
蒙古大军便就近砍伐桑木，再加以浸泡增加重量用作“炮”弹。
并且从各地调来更多的“哈沙儿队”（民工），用于填平、拆毁各项城防设施。
经过了约十五天的总攻准备时间，蒙古大军在“哈沙儿队”填平了“玉龙赤杰”城的城壕，拆毁了城池的外围防御设施各项攻城准备也全部完成后便发动了总攻
整个西征中最惨烈的“玉龙赤杰”攻防战正式拉开了序幕。
这天一早，一声雷霆闪电般的呐喊，蒙古大军把投掷器和箭矢象雹子一样向这座中亚最大的城市倾泄出去。
在云梯有数百的前提下，蒙军的大旗很快就插上了城头，蒙古人此后像是过境的蚂蚁大军，争先恐后的冲入城中。
但是誓死保卫家园的“花剌子模”军民也拼死战斗，他们同蒙古军展开了激烈的巷战。
蒙古军虽然在野地骑马打仗异常勇猛，但在巷战中他们骑射无敌的优势，事实也得不到半点的发挥。
因此蒙古军同样付出了惨重的代价，也没能迅速攻下“玉龙赤杰”。
蒙古军在初战不能迅速获胜后，便开始使用火攻。
蒙古军使用石油喷筒，去焚烧攻占下来的城中的居民房屋，在弓弩和投石机的掩护下，不断的向城中发起波浪梯次进攻。
城中的守军则一面全力同蒙军展开白刃战，一面从阿姆河中取水灭火。
蒙军的进攻持续了数日，虽然使较外围的城区基本化为一片焦土和废墟，可也没能取得重大军事上的突破。
在火攻无效的情况下，几位蒙古王子重新思考了对策。
记住，这里没有铁木真的幼子拖雷，传言是被窝锅台此前回兵蒙古路上给毒死了。
蒙古人在考察地形后发现，“玉龙赤杰”城跨越阿姆河而建，城两边靠一座桥梁相连，并且因为城被包围，城内的各种用水均依赖于阿姆河。
于是三位王子，术赤、察合台、窝阔台决定，夺取这座至关重要的桥梁：“他们一致同意放弃火攻，而去阻止百姓使用乌浒河（阿姆河）的水”（《世界征服者史》）。
当时的蒙古人，从军中抽出了三千勇士担任夺桥的重任，在强大火力、弓箭的掩护下，三千名蒙古军，重甲重盾勇士，提着弯刀迅速占领了那座关键的桥。
失去这座桥“玉龙赤杰”将被分断，守军也难以再取用阿姆河水，明白了这一严重性的“花剌子模”人，一起向桥上的蒙军展开了疯狂的反击。
守军和百姓如潮水一般涌向桥头。桥上的蒙军顿时陷入了重围，他们跟守军、百姓进行了激烈的白刃格斗，外围的蒙军也赶来增援。
被围的蒙军和包围他们的“玉龙赤杰”军民都为了求生而全力以赴，战斗一直持续到夜晚，最后桥上被围的三千蒙军始终没能突围，全部被守军消灭。