随后，蒙古军又经过连续两天箭石齐飞的攻城，终于打垮了撒马耳干人的最后一道心理防线。于是在成吉思汗率军攻打撒马耳干后的第五天早晨，撒马耳干城内一些信仰伊斯兰教的首领突然来见成吉思汗，很快他们就与成吉思汗达成了以出卖撒马耳干为代价求得不杀的交易。当天晚上，这些首领便打开了撒马耳干城的北门，放蒙古军队进城。
但是，以阿勒巴儿汗为首的一部分勇士誓死不肯投降，他们乘着夜色朦胧，拼死突出了重围，去寻找逃亡的苏丹。第二天，蒙古军开始对撒马耳干城进行疯狂的掠夺，并将俘虏的士兵按十人或百人编成队，全部驱赶到城外。为了防备他们反抗，蒙古军装作非常友善，但就在当天夜里，便把他们全部杀死。被俘的花剌子模大臣秃孩汗、巴力失马思汗、撒儿昔里汗等20多人也全部被处死。
消灭了敌军后，蒙古军又将剩余的当地百姓进行了处理:3万工匠被挑选出来作为奴隶分配给诸王、大臣和将领，另外还有数万青壮年被编为“哈沙儿”队去帮蒙古军队攻打其他城市，剩下的人在被要求交出20万的那（即第纳尔，中亚地区的一种货币）的巨额赎金后得到了大汗“仁慈”的宽恕。
拥有坚固的城防和11万精锐之师保卫的历史名城撒马耳干，仅坚持了5天就被蒙古人攻破，这似乎又一次证明了蒙古铁骑不可战胜的神话。而撒马耳干也遭到了毁灭性的破坏，昔日繁华的都市变成了一片废墟。大战后的1221年，据当时的人们记述:“当苏丹没有失败时，城中人口十多万户，国破以来，存者不过四分之一。”其苍凉景象正如耶律楚材后来的诗中所言；“寂寞河中府（河中府即撒马耳干），声名昔日闻。城隍连畎亩,市井半丘坟。”
千里追杀
摩诃末虽然对守住撒马耳干没有信心，但是当他听到撒马耳干5天就失守的消息后，还是大感意外。眼看大势已去，他不得不作下一步的打算，于是便招来众将商议。
众将议论纷纷，意见主要分为两派:一派认为应该退守伊拉克；另一派认为应该逃往印度。而太子札兰丁却另有想法，他认为与其四处逃避，还不如与成吉思汗决一死战。然而已完全丧失了抵抗意志的摩诃末此时发出了哀叹:花剌子模遭受灾难是天意如此，非人力所能挽回。于是，摩诃末带着残兵败将逃到了你沙不儿（今伊朗东北部内沙布尔）。摩诃末在你沙不儿驻扎了三个星期，他每日纵酒狂欢以转移亡国之痛。但是好景不长，很快哲别与速不台就率蒙古军追到了这里。
摩诃末闻讯后，急忙丢弃你沙不儿，继续逃奔到可疾云（今伊朗首都德黑兰西北加兹温）。在那里他整顿军马，并召集了3万伊拉克军队准备死守。但是这些临时征集来的乌合之众，在蒙古军队还未到来之前便逃跑了一半。于是，摩诃末便又开始了失魂落魄的逃亡之旅。而哲别和速不台就像一帖膏药一样，死死地黏住摩诃末不放。摩诃末逃到哪里，他们就如影随形地追到哪里。他们的目标只有一个，那就是要将摩诃末等人赶尽杀绝。
