公元一二一零年九月初一，成吉思汗指挥八万骑兵、十万攻城步兵、五万后勤步、一万五千重兵器车兵和工匠兵开始攻打撒马尔罕。
卯时初刻， 蒙古哨兵吹响集结号，全军起床，吃了早饭后，开始战斗。第一天攻城，成吉思汗为了减少伤亡，只是命令重兵器车万人队使用二百余辆放弩车采用射长箭方式进行攻城。撒马尔罕守军则使用上千辆重兵器车反击。
撒马尔罕守军的重兵器车数量虽然多余蒙古大军，但因为花剌子模工匠研发时间有限、制造过程仓促，所以质量远不如蒙古大军的重兵器车，射程、抛程仅是其的一半。
蒙古大军重兵器车万人队在两里开在向撒马尔罕守军发射长箭，因为多次使用重兵器车参加战斗，都能够做到熟练操作、精准打击。
而花剌子模大军重兵器车因为临时仿照出来的，质量不高，射程不远，发出的长箭和石块还没飞到蒙古大军阵地前就落了下来。撒马尔罕守军也从来没有使用重兵器车实战过，见蒙古大军的长箭飞来，都吓的不知所措，手忙脚乱的操作重兵器车，几乎没有一次命中。
重兵器车一直攻击到黄昏时分，成吉思汗才命令停止进攻，放出哨探进行休整。
九月初二凌晨，成吉思汗命令重兵器车向前推进一里。重兵器车一边放箭，一边前进。
撒马尔罕守军本想反击，却发现蒙古长箭飞天盖地而来，自己连头都抬不起来。
很快蒙古大军重兵器车开至撒马尔罕城墙外一里处。
这时蒙古大军长箭已经消耗了很多，成吉思汗命令抛石车上阵，使用抛石的方式继续攻打撒马尔罕城墙。
抛石车抛出去的石块虽然不远，但是掉下去的威力巨大，撒马尔罕城墙上的很多重兵器车被砸坏。不过虽然如此，撒马尔罕守军还是进行了顽强的抵抗。
战斗又持续到黄昏时分，成吉思汗见还是无法拿下撒马尔罕，于是鸣金收兵，回营休整。
九月初三凌晨，成吉思汗即下令全军发起总攻。蒙古步兵在蒙古骑兵掩护下，开始使用攻城云梯攻城。这时阿勒巴儿汗也命令全军在城墙里面架起铁锅煮火油。
当蒙古步兵马上攻上城墙时，撒马尔罕守军把煮的滚烫的火油往蒙古步兵身上浇。很多蒙古步兵被火油烫死烫伤，从攻城云梯上摔了下去。
阿勒巴儿汗又指挥撒马尔罕守军把数以万计的火把扔到城下。城下燃起滚滚大火，无数蒙古步兵被烧的鬼哭狼嚎而死，很多攻城云梯也被烧毁。
成吉思汗惊讶不已，一时想不出应对办法，又怕蒙古步兵伤亡惨重，于是命令全军撤退。
阿勒巴儿汗见此情景，大喜过望，他禀报在城墙上观战的秃儿干丞相和兀思剌黑王储说，丞相、王储，蒙古大军全军溃败，臣愿率十万人马和大象战队出战蒙古大军，请与恩准。
秃儿干说，将军只管去，本相会率领三十万预备军继续固守城池的。
此时已是午时，阿勒巴儿汗命人打开北门，首先命令大象战队出城打头阵，接着率领新组建十万步兵也紧随其后迎战蒙古大军。
可当大象战队刚出城时，哨探即禀报给成吉思汗，成吉思汗马上布置抛石车和火炮，当大象战队冲到蒙古大军营地半里处时，成吉思汗命令，放炮！
无数枚火炮被抛向大象战队，有些落在大象身上，有些落在大象身边，发出震耳欲聋的响声，大象受到惊吓，又往回跑，又踩死不少撒马尔罕守军。