城上城下，矢石横飞，弓弩齐发，人喊马叫，炮声隆隆。震得山鸣谷应，百里之内鸟儿不敢停飞。
成吉思汗亲自指挥攻城的战斗，先以射石机、火焰喷射机、火箭投射器、弩炮等进行猛烈袭击，怎奈城墙坚固，又高又厚，加上城头守军抵抗顽强，他们用弓箭，用滚木、礌石进行反击，一次次地打退蒙古人的进攻。
西门守将阿勒巴儿汗一边指挥城上守军反击，一面领兵出城，想把城外攻城的蒙古兵马杀退，进而冲开一条血路。可是，蒙古兵马在城外顽强狙击，一批接一批冲上去，宁愿战死也不肯退后一步。
阿勒巴儿汗的军队高声喊道：“冲出城去，杀退蒙古人！”
他们一次又一次地发起冲锋，使蒙古军队死伤惨重。由于花剌子模国的战马身材高大，冲击力更强，使那些体形短小的蒙古战马，阻挡不住，不得不败退下来。
第三天的战斗刚才展开，忽听西门“哗啦啦”一声响，一队花花绿绿的庞然大物冲了出来！
原来，花剌子模人驱赶着二十头战象，每头战象的背上都披着五颜六色的铁甲，让它们走在骑兵的前头，作为开路的先锋，对蒙古骑兵进行冲击。
这战象果然厉害！每头战象的身后，都有专人用绳牵着，并用皮鞭在后面不断地抽打着，硬逼着它们向前奔跑。于是，这些力大无比的庞然大物，怒吼着向前冲去！它们又窜又跳，又粗又长的大鼻子，一会儿高高扬起，一会儿左右甩动，还有的战象，从它的长鼻子里喷出一股很大的水柱，如瀑布一般冲向前去！蒙古军队虽然勇不可挡，可是面对这支战象的队伍，他们起先还想抵抗，转眼之间，被大象的鼻子连甩带打，再加上猛力地冲撞，立刻便支持不住，“呼啦啦”一阵连响，便溃乱不堪、一败涂地了。
于是，战象在前面又冲又撞，又踩又踏，后面是阿勒巴儿汗的骑兵队伍，他们举起战刀，左砍右劈，杀得蒙古骑兵纷纷坠马，余者不敢恋战，不得不落荒而逃了。
此时，站在高岗上的成吉思汗看得分明，眼看自己的兵马如大山倒下来一般，败得那么惨烈，又见战象队伍如此猖狂，心中焦急万分！突然，情急生智，他猛然看见耶律阿海站在前面，不禁眼睛一亮，立刻下令让耶律阿海赶快领着炮队，去把那队战象歼灭掉。
耶律阿海得令后，立即带着他的炮队，迎着那队狂奔着的战象，连续发射弩炮，并用火焰喷射机、火箭投射器等，向战象头上、身上连续打击，顿时有几头战象被打死，有的被火烧伤，于是它们挣断了拴着的绳索，扭头向回跑，把阿勒巴儿汗的骑兵冲得七零八落，纷纷躲避。
而察合台的队伍负责追杀着阿勒巴儿汗的骑兵的任务。
那支被大象追逐的军队是术赤指挥的，这工夫，也返身回来，加入歼灭战象的洪流，一齐叫喊着，杀向前去。
后来，战象逃回城里，阿勒巴儿汗也带着他的骑兵队伍回到城里，清查以后，发现二十头战象死了六头，有九头受了伤，只有五头战象无恙，但已累得精疲力竭，吓成一堆肉泥，睡在地上一动也不动，像死了似的。
阿勒巴儿汗很生气，他原以为今天会取得完全的胜利，用战象作开路先锋，把蒙古兵马冲垮，自己领骑兵随后追杀，争取一举击溃成吉思汗的队伍，为撒马耳干解围。未想到，黄鼠狼未打着，反而惹了一身臊！
若不是自己的战马跑得快，不被蒙古人活捉了去，也会被逃回的战象撞死、踩死的！他愈想愈气，忽又得到城内部分法官和教长出城投降的消息，恨得咬牙切齿。
原来，城内兵马被打败回城，有一些伊斯兰教的首领和一些披戴头巾的长老们，趁着阿勒巴儿汗等领兵回城的机会，悄悄出了城门，直接奔向蒙古大营，要求拜见成吉思汗。
大汗高兴地接见了他们，并从中打开了攻城的突破口。
于是，那些伊斯兰教的首领与长老带着术赤的兵马，从西北门里顺利地进到城里，占领了这座城门。等到城墙被推倒之后，成吉思汗的大军便浩浩荡荡地开进撒马耳干城里，迅速消灭了城上的守军，占领了全城，此时，正是公元一二二〇年的五月十七日，成吉思汗只用了八天的时间，就攻破了这座被谟罕默德吹嘘为“不可攻破的城市”。
听说教主与长老献城投降，蒙古兵马已经进城了，守城的主将塔海汗无法，只得随着阿勒巴儿汗等一起，把三万八千多兵马带入城堡。
原来，撒马耳干城由三部分组成，不过，这个城市的三部分是由南而北，依次排列，先是城堡，接着是内城（即本城），最后才是外城。
这座城堡全用石块建成，墙体坚固，阿勒巴儿汗把兵马安置在城堡各要害处，又将射石机等守城器械运进城堡之内，准备与蒙古人对抗到底。
但是，成吉思汗领兵进入内城之后，没有忙着攻打城堡，只是派一支兵马将其包围起来，采取围而不打的策略，而把主要精力放在内城方面。
高大坚固的城墙被推倒了，又深又宽的护城壕沟被填平了，蒙古兵马大队大队地开进城内，耀武扬威地走在撒马耳干的大街上，任意把马放到绿草如茵的公园里去。
按照成吉思汗对占领城市的习惯命令，全城居民必须集中起来，听候处置。
不一会儿，城里的男女居民，以一百人为一队，由蒙古人监视着，一律赶到城外去。
只有那些去晋见成吉思汗的伊斯兰教首领、长老们，才受到庇护，但必须在徼纳一定数量的罚金之后，才免于出城。受到这种优待的，当时有五万多人。在居民中，有三万名技师、工匠、铁匠等被留下来，分配到蒙古各军团服务，青年男子从事土工作业，一部分面相英俊的青年到军队里从事杂务劳动。
接着，传令官传达了成吉思汗的命令：“任何人不得携带财物外出，藏匿者格杀勿论，反抗命令者一律处死。”
之后，蒙古将士开始进行抢掠，很多躲在地窖、地洞里的军民走出来投降，未降者都被立即杀死。
成吉思汗回到大营，听那护卫详细报告，才知道谟罕默德的长子札兰丁，在其封地哥疾宁带领五万兵马，星夜兼程，前来撒马耳干，扬言要夺回国都。
他听完报告，便立即命令幼子拖雷你领兵马二万人，速去配合葛答里、牙撒兀几等，务必将札兰丁兵马拦住。成吉思汗于次日下达了攻打城堡的命令。
这城堡背后是耸立的山崖，面对内城，堡内有坚固的地下室，能容下数千人。
于是，成吉思汗让术赤担任主攻任务，耶律阿海的炮队先用弩炮向城堡上的守军开火，把堡上的守军炸死了许多人。
接着，又施放火箭，用发射器施放火焰，眨眼之间城堡上便燃成一片火海，守城士兵吓得全都躲进了堡内。于是，术赤指挥蒙古士卒冒火冲进堡内，与敌兵展开肉搏，双方拼杀激烈。
此时，堡内阿勒巴儿汗率领一名敢死队员，冲出内堡，从术赤的士卒中间杀开一条血路，驰往玉龙杰赤去了。
为了尽快消灭堡内敌人，术赤接受耶律阿海建议，对堡内施展火攻，同时在燃火的柴草中加进大量的硫黄、辣椒等。使堡内浓烟滚滚，气味呛人，迫使敌人一部分走出来投降，另一部分又撤进地下暗堡，不愿投降。
术赤派士卒提水灌进地下暗堡，由于暗堡内出水困难，堡内的军民坚持不住，只得走出暗堡投降了。
成吉思汗让术赤派兵把城堡彻底摧毁，又将几座清真寺也焚烧一空。大火一直烧了五天五夜，仍然浓烟不歇。
在最后投降的军民中间，按照成吉思汗的命令，把突厥人与康里人分开集合。因为突厥人与蒙古人为同一种族，前者被赦免了死罪，而康里人全被处死了。
撒马耳干在这次战争中遭到了极大的破坏，全城被毁坏成一片废墟。在波斯语中，“撒马耳”意为“肥沃”，而“干”则是“城”的意思，所以撒马耳干便是一座“肥沃的城”。
在撒马耳干，到处是花团锦簇的公园，几乎每幢房子的前面，当然是无论房子大小，前面都有花园和院子，仿佛撒马耳干人全都是爱花爱草的人。
城内水渠纵横，四通八达，为发展园艺提供了方便条件。每当茶余饭后，在座座公园里人群如织，大人牵着孩子，老人互相偎携着，一片宁静馨香的和平生活。
撒马耳干的能工巧匠，在整个东方都是很有名的。他们生产出交织银丝的织物，生产著名的“撒马耳干织品”，生产出供整个中亚的商人使用的帐篷。
在锅商区内还出售各种铜器和精制的酒具。鞍具商区出售各种皮革马具，从喀什噶尔到设拉子，人们常常是争相购买来自撒马耳干的产品。
由撒马耳干的工匠们生产出来的一种“布浆纸”更加有名。它取代了当时穆斯林各国原来使用的纸莎草纸和羊皮纸，在工艺落后的那个年代里，这种布浆纸风靡世界，成为推动文化事业发展的重要商品。
因此，撒马耳干是中亚地区的文化中心，在一个相当长的时间内，被人们看作是中亚的文化发祥地。
随成吉思汗西征的耶律楚材，曾在撒马耳干停留很长时间，他以“河间”为名写下了不少脍炙人口的诗篇。
有不少诗中赞颂了撒马耳干这座美丽的城市，在诗中，耶律楚材激动地写道：
绿苑连延花万树，碧堤回曲水千重。
谁知西域逢佳景，万顷青青麦浪平。
可是，经历了这次战争之后，繁荣美丽的撒马耳干不复重见了，它遭到了极大的破坏。
其后，同是这位耶律楚材，又满怀悲怆，写下了《西域河中十咏》，其中诗云：
寂寞河中府，
生民屡有灾。
避兵开邃穴，
防水筑高台。
……
寂寞河中府，
颓垣绕故域。
城瑝连畎亩，
市井半丘坟。