九月初七凌晨，蒙古大军开始围攻撒马尔罕苏丹王宫，他们通过攻城云梯爬上王宫城墙，连续不断的用火箭攻击躲在王宫内的撒马尔罕守军。顷刻之间，花剌子模王宫内燃起熊熊大火。
阿勒巴儿汗见此情景，只得率领撒马尔罕守军保护兀思剌黑王储和其他大臣，准备从王宫大门冲出去拼死突围。当时王宫里面还剩有一千余匹战马，全部是从讹迹邗城征来的上等汗血宝马。阿勒巴儿汗从新组建的正规军里挑选一千名最勇敢的战士，把这些战马分给他们和兀思剌黑王储、秃儿干丞相以及其他高级将领，并给他们配备了锋利的武器和为数不多的弓箭。
在王宫大门打开的一刹那，阿勒巴儿汗带领这一千多人首先冲了出去，那些没有战马的士兵和预备军，大约有十余万人，也跟着往外冲。
蒙古骑兵吓了一跳，他们没想到撒马尔罕守军居然会冲出王宫发起反击，只得仓促迎战。
阿勒巴儿汗等将和撒马尔罕守军经过一番血战，最终带着兀思剌黑和秃儿干等臣冲出了驻扎于撒马尔罕王宫大门的蒙古大军包围圈。
而撒马尔罕保卫战的两名副帅巴力失马思汗和撒尔昔黑汗，以及国舅塔海汗等很多大臣都在突围时被杀。其他战死的花剌子模士兵更是不计其数。
阿勒巴儿汗等人冲出皇宫后，继续向撒马尔罕西门撤退，一路上受到蒙古大军的层层阻击，死伤无数，但最终还是冲到了西门。还好蒙古大军还没有在那里派重兵驻守，阿勒巴儿汗等人顺利的冲出城外，一直往玉龙杰赤方向撤退。蒙古骑兵在后面不停追赶，一路斩杀了不少花剌子模士兵。此时天色已晚，负责追击的察合台下令停止前进，返回撒马尔罕。
九月初八，蒙古大军全面占领撒马尔罕，并肃清所有撒马尔罕守军。
被俘虏的撒马尔罕百姓有一百多万。成吉思汗从中挑选三万多精壮男子编入攻城步兵，又挑选三万多懂手艺的人编入工匠万人队和后勤步兵，并告诉他们不准反叛，否则杀死他们的家人。
至于剩下的一百多万人如何处置，成吉思汗对伊斯兰教撒马尔罕教长说，我可以遵守承诺，不杀死这些百姓，但是你们必须给我们一些补偿，就象征性给二十万两黄金吧。
教长忧虑的说，成吉思汗，您的士兵把国库都搜空了，把城内百姓家中的财产也搜刮一空，我确实找不到这么多钱来补偿蒙古大军啊。
成吉思汗不悦的说，二十万黄金对我们大蒙古国来说根本不算什么，但是撒马尔罕百姓毕竟协助守军抵挡蒙古大军那么多天，如果不略加惩罚，何以服众？
教长说，那请成吉思汗给我一年的时间，我带领教徒和百姓到附近山里寻找金矿，挖掘提炼后，一定凑齐二十万黄金上交蒙古大军。
至此，阿拉丁摩诃末苏丹和他的文武大臣，精心准备了半年的撒马尔罕保卫战，就这样不到八天就失败了。撒马尔罕几乎化为一片灰烬，城内原有包括正规军、预备军大约二百万人口，仅十余天就有超过一百万人死亡，其中有被杀死的、有被烧死的、有自杀的，还有被赶出城外被饿死冻死的。整个撒马尔罕熊熊大火，尸横遍野、惨不忍睹。而撒马尔罕百姓辛辛苦苦积攒的三年粮食，也全部被蒙古大军抢光。
成吉思汗命令全军全部退出城外后，才把撒马尔罕百姓放入城内，让他们自己去灭火打扫、掩埋尸骨。蒙古大军则在城外驻扎休整。
三日后，成吉思汗又组建了一支术赤偏军，任命术赤为主将、察合台为副将，率领三万骑兵、一万攻城步兵和重兵器车兵、一万后勤步兵，前去攻打花剌子模旧都玉龙杰赤。
成吉思汗自己则率十余万人马驻扎于撒马尔罕周围，并以此为中心，到附近已经征服的城池去建立政权、补充兵力、发展经济、维护治安。