六月初一凌晨卯时，成吉思汗命令全军向讷思来忒忽堡发起总攻。
三百余辆放弩车将无数支火箭射入城内，不过因为讷思剌黑城都是土石建筑，所以并未引起城内大火。
成吉思汗又命令抛石车将无数块石头抛入城内，但因为城内防御工事非常坚固，花剌子模士兵都躲在工事下面，所以也没有造成多大伤亡。
成吉思汗见重兵器车的攻击收效不大，又见城墙上无花剌子模士兵防守，于是命令重兵器车推送攻城云梯至城下，准备命令攻城步兵开始攻城。
耶律楚才说，成吉思汗，城墙上虽然没有花剌子模士兵防守，但他们肯定躲在城墙下面或者防御工事里面，他们的兵力还有八万多，我们的攻城步兵现在不到一万，让他们攻城无异于让他们送死啊。
成吉思汗说，这也是没有办法的事，每个兵种都有每个兵种的责任，前些日子我们的蒙古骑兵也战死不少，我的弟弟也身负重伤。耶律楚才，这些攻城步兵都是撒马尔罕人，你派人把他们的名单都记下来，将来返回撒马尔罕时要给他们的家人多一些抚恤。
耶律楚才黯然。
随即成吉思汗命令攻城步兵通过攻城云梯向讷思来忒忽堡发起进攻。当这些攻城步兵手拿大刀、盾牌攻上城墙，躲在城墙下面和防御工事的花剌子模士兵立即围了上去，花剌子模骑兵更是冲锋在前。两军又上演了一场血腥的攻城战。
蒙古骑兵则在城墙下用射箭的方式干扰敌军，但是根据成吉思汗命令，他们暂时都不要上去参与攻城战。
攻城战持续了一天一夜，蒙古大军攻城步兵纷纷战死，所剩无几。
次日凌晨，成吉思汗见花剌子模大军也是死伤惨重，这才命令蒙古骑兵全部上马，通过攻城云梯进入城墙。
四万蒙古骑兵攻上城墙，犹如饿狼进入羊群，杀得花剌子模士兵没有招架之力，那些花剌子模骑兵也是伤亡惨重。
阿勒巴儿汗找到扎兰丁，跪下来说，苏丹陛下，蒙古骑兵打进来了，我们的士兵大多都是步兵，毫无招架之力，您赶紧率领大部队从密道撤退吧！臣愿带领一万士兵挡住他们。
扎兰丁说，不！要撤退我们一起撤退，朕不能丢下你们不管。
阿勒巴儿汗感动的说，谢苏丹陛下，但是您是花剌子模最高统帅，您可万万不能出点事啊，您若有三长两短，那我们花剌子模也就完了。请您以江山社稷为重，赶快撤退吧。
扎兰丁扶起阿勒巴儿汗，向他深深的鞠了一躬，旁边的帖木儿蔑里、扎木合等将也跪下来朝阿勒巴儿汗致敬。
于是阿勒巴儿汗又率领一万士兵冲上城墙，和原来城墙上的残军一起同蒙古骑兵争夺阵地。
扎兰丁则率领大部队通过密道撤出讷思来忒忽堡，当最后一支部队撤出后，阿勒巴儿汗下令摧毁密道入口。随后阿勒巴儿汗带领剩下的花剌子模士兵继续与蒙古骑兵血战。这些士兵是城内的预备军征集入伍的，他们与蒙古骑兵英雄搏斗，并发誓要和讷思来忒忽堡共存亡。
激烈的战斗又进行了一个时辰，留守的花剌子模士兵虽然英勇，但是战斗力毕竟不如蒙古骑兵。他们在杀伤一些蒙古骑兵后，几乎全部阵亡，阿勒巴儿汗身中数刀后，也挥刀自刎、壮烈牺牲。
蒙古大军以牺牲一万攻城步兵的代价全面占领讷思来忒忽堡，扎兰丁则率领五万余人马成功突围。
此次攻打塔里寒山和讷思来忒忽堡用了蒙古大军三个多月的时间，成吉思汗见士兵非常辛苦，于是一边让大军在城堡内进行休整三日，一边派信使返回撒马尔罕，让镇海再征集一万攻城步兵前来助战。