金國在遭到蒙古軍的兩次進攻後，看出成吉思汗的總意圖是奪取中都，因此，特別加強了中都及其北部屏障居庸關一帶的防守。
此前，金帝完顏永濟曾命元帥右都監術虎高琪，率10萬大軍屯駐居庸關北懷來、縉山（今延慶）一帶。聞蒙古軍複從野狐嶺突人縱深，金帝特命尚書左丞完顏綱為主帥，統轄懷來，縉山地區軍政，以增強居庸關屏障。同時，又命工匠把鐵熔化封固居庸關門，並在關門之外布設專傷蒙古騎兵的鐵蒺藜百餘裏，在關上部署重兵鎮守。
成吉思汗偵悉金軍上述部署後，決定將奪取居庸關分為兩步走，首先進行懷來一縉山之戰，獲勝後再組織居庸關之戰。
懷來一縉山之戰，蒙古軍打得很漂亮。因為，戰前成吉思汗已通過各種渠道掌握了金軍正、副帥之間的矛盾和兵力部署等情況。原來，術虎高琪曾在進攻南宋時立有戰功，號平南虎威將軍；在1211年蒙古軍進攻中都時，又因守城有功累升縉山防禦使、權元帥右都監；他急於再立戰功高升。但左丞完顏綱在攻宋戰爭時曾兵敗四川，此次充任主帥後，想爭頭功，故不聽右丞相徒單鎰的勸阻，親帶精兵10餘萬至縉山，改變術虎高琪的部署，因而金軍戰守不定。成吉思汗據此率軍先打敗將完顏綱一個措手不及，繼而攻打坐山觀虎鬥的術虎高琪，金軍全線潰敗。蒙古軍乘亂掩殺，全殲金軍主力20萬人。此役蒙古之勝，促使金朝宮廷的矛盾更加激化。金大將胡沙虎殺死金帝完顏永濟；接著回到中都的完顏綱又被胡沙虎以兵敗罪殺於市中；術虎高琪兵敗後畏罪，自率親兵竄人中都宮廷，先下手為強，殺死胡沙虎。金廷內的相互殘殺，極大地削弱了抗蒙力量。
成吉思汗在獲捷於懷來一縉山之戰後，乘勝率軍逼近居庸關北口。見居庸關備禦有序，實難力取，遂采取避堅就瑕之策，隻留一小部兵力在北口虛張聲勢，牽製金軍；自率主力從右翼迂回南下，偷越五回嶺（今河北淶源東），襲破紫荊關，奪取涿州城，從西南方威脅中都。另遣大將哲別率領精騎，在曾出使金國的劄八兒引導下，在夜間走小路，通過黑樹林的澗道，繞至居庸關南口，乘守軍不備，金鼓之聲齊鳴，不待金兵從睡夢中驚醒，便一個個死於刀斧之下。隨之，蒙古軍南、北夾擊，迫居庸關守軍投降，打開了通往中都的大門。
成吉思汗召集諸將商議戰事，針對諸將急於攻城的情緒，指出：中都雖在眼前，但強攻必然傷亡過大，得不償失。遂決定兵分3路，深入金國腹地，進行掃蕩作戰。時至次年春，3路大軍除中都等11城未克外，幾乎掃遍舊黃河以北廣大地區，中原大地出現了“白骨縱橫似亂麻，幾年桑梓變龍沙，隻知河朔生靈盡，破屋疏煙卻數家”的殘破景象（元好問詩句）。然後，成吉思汗及各路大軍會師中都城下。他再次製止諸將急欲攻城的建議，而以大軍作威懾，遣使入城逼降。金宣宗完顏殉無可奈何，隻好答應成吉思汗的條件，向成吉思汗奉獻岐國公主及金帛，童男女500人、馬3000匹，並派丞相完顏承暉陪送成吉思汗出居庸關，戰事又告一段落，
八、建蒙古炮軍
成吉思汗為什麼不敢攻打中都？這裏自有他的苦衷。他記起1211年，哲別兵臨中都城下，遭到城上炮火轟擊，傷亡一片，隻得無可奈何地撤退。教訓更為深刻的是1212年的西京之戰，成吉思汗不僅未能破城，反而身中流矢，被迫撤圍。1213年奪占居庸關，不是靠的強攻，而是靠的智取。1214年春大軍屯於中都城下，眼看即將到嘴的肥肉不敢伸手去取，就是因為缺乏攻城能力。如何攻克堅城深池？成吉思汗陷入冥思苦想之中。
一天，成吉思汗問部將喳木海：“攻城略地，兵仗何先？”唵木海對此已有研究，從容地回答說：“攻城應以炮石為先，力重而能及遠故也。”（《元史。喳木海傳》）成吉思汗為久思不得其解的難題找到答案，十分高興，當即命喹木海為炮手。又他令人去把大將木華黎喚來，說：“喳木海告訴我，攻城用炮之策，甚好！甚好！我要重用唵木海，建立自己的炮軍，何愁堅城不破。”