成吉思汗頓時如夢方醒，當即下令蒙古軍隊以火攻之。瞬間數以百計的火油筒同時向直衝過來的象群猛烈噴射劇烈燃燒的火油，同時火箭與火藥箭齊發。郭寶玉又命人將從中原帶去的鞭炮投入火中，頓時火焰從四處騰空而起，並夾雜著震人心魄的鞭炮劈劈啪啪的爆炸聲。
由於火焰灼燒的劇烈疼痛，再加之動物怕火的天性，這些大象驚恐不已！它們不顧一切地掉頭逃跑，負責驅趕它們的象夫將皮鞭劈頭蓋臉地朝它們打去，然而驚恐與憤怒使這些大象變得更加瘋狂，它們揚起巨鼻將象夫卷落馬下，然後巨大的身軀從他們身上碾過。
這一次厄運又輪到了撒馬耳幹守軍，大象的瘋狂踐踏，加之蒙古軍隊的乘機砍殺，撒馬耳幹守軍傷亡慘重，戰場上留下了一大片血肉模糊的屍體。
市井半丘墳
撒馬耳幹守軍終於用完了他們最後一件秘密武器，他們再也無計可施了，隻能被動地等著挨打，失敗的結果是以犧牲生命為代價的，但是勝利的希望又十分渺茫，撒馬耳幹人的心在恐懼和憂慮的海洋中顛簸不定。
蒙古軍又經過連續兩天箭石齊飛的攻城，終於打垮了撒馬耳幹人的最後一道心理防線。就在成吉思汗開始攻打撒馬耳幹後的第五天早晨，一些伊斯蘭教的首領突然來見成吉思汗，很快雙方之間便達成了以出賣撒馬耳幹為代價求得不殺的交易。他們當晚便打開了撒馬耳幹的北門，放蒙古軍隊進城。
但是，仍有一部分以阿勒巴兒汗為首的勇士，退守內堡繼續戰鬥。當晚阿勒巴兒汗乘著夜色朦朧，帶領一千多決死之士拚死突出了重圍，去尋找逃亡的算端。次日，蒙古軍開始進攻內城的城堡。守軍進行了最後的抵抗，戰鬥十分激烈，得益於堅固的城防，蒙古人直到晚上才攻破內城，在守軍基本投降後，仍有一千多守軍和百姓躲進大清真寺繼續頑強抵抗。蒙古人向他們噴射石油，縱火焚燒清真寺及寺內所有的人，最後大清真寺被完全燒毀，裏麵的守軍也全部被燒死。
蒙古人將俘虜的士兵按十人或百人編成很多隊，全部驅趕到城外，為了防備他們反抗，蒙古人裝作對他們比較友善，但在當天夜裏，他們全部被蒙古人殺死，“所有的人都被溺斃於毀滅的海洋內，為死亡的火焰所焚化”。被俘的花剌子模大臣：禿孩汗、巴力失馬思汗、撒兒昔裏汗等二十多人也全部被成吉思汗處死。
蒙古人在完全攻陷城池之後，將剩餘的百姓進行了處理。三萬工匠被挑選出來作為奴隸分配給諸王和大臣、將領。另外還有數萬青壯年被編為“哈沙兒”隊去幫蒙古人攻打其他城市，當炮灰。剩下的人在被要求交出二十萬“的那”（底納爾，中亞地區的一種貨幣）的巨額贖金後得到了大汗“仁慈”的寬恕。
守軍的象兵也投降了，負責喂養大象的象夫請求成吉思汗發給大象飼料，成吉思汗詢問大象吃什麼，當得到象夫回答說大象吃草時，成吉思汗下令把大象放到原野上去吃草，結果這些曾經是蒙古敵人的大象都餓死在原野上。
有堅固的城防，由十一萬精銳之師保衛的曆史名城撒馬耳幹僅堅持了五天就被蒙古人攻破了，似乎再一次證明了蒙古鐵騎不可戰勝的神話，昔日繁華的都市變成了一片廢墟。撒馬耳幹遭到了毀滅性的破壞，在大戰的一年半以後，公元1221年，人們記述：“當算端沒有失敗時，城中人口十多萬戶，國破以來，存者不過四分之一。”
其蒼涼景象正如耶律楚材後來的詩中所言：“寂寞河中府，聲名昔日聞。城隍連畎畝，市井半丘墳。”（河中府即撒馬耳幹）。
千裏追殺
摩訶末雖然對守住撒馬耳幹沒有信心，但是他聽到撒馬耳幹五天就失守的消息，還是大感意外。眼看大勢已去，他不得不作下一步的打算了。
當時眾將議論紛紛，意見主要分為兩派，一派認為應該退守伊拉克，另一派認為應該逃往印度。而太子劄蘭丁卻另有想法，他認為與其四處逃避，還不如與成吉思汗決一死戰。然而已完全喪失了抵抗意誌的摩訶末卻發出了哀歎：花剌子模遭受災難是天意如此，非人力所能挽回。於是，他們逃到了你沙不兒（今伊朗東北部內沙布爾）。摩訶末在你沙不兒駐紮了三個星期，他每日縱酒狂歡以轉移亡國之痛。但是好景不長，很快者別與速不台就率蒙古軍追到了這裏。
摩訶末聞訊後，急忙丟棄你沙不兒，繼續逃奔到可疾雲（今伊朗首都德黑蘭西北加茲溫）。他在那裏整頓軍馬，並召集了三萬伊拉克軍隊準備死守，但是這些臨時征集來的烏合之眾，在蒙古軍隊還未到來之前便逃跑了一半。於是，摩訶末便又展開了失魂落魄的逃亡之旅。者別和速不台就像一帖膏藥一樣，死死地粘住摩訶末不放。摩訶末逃到哪裏，他們就如影隨形地追到哪裏。他們的目標隻有一個，那就是要將摩訶末趕盡殺絕。
最後上天無路、入地無門的摩訶末逃到了裏海邊的一個荒蕪的小島之上。這次蒙古軍隊一時沒有找到他們，於是者別和速不台隻好先去攻打摩訶末母後和嬪妃臨時避難的哈倫堡。