1219年，成吉思汗以「為商團復仇」為由發動了蒙古的第一次西徵。20萬鐵騎從蒙古高原出發，兵分三路直撲中亞新興大國花刺子模。
當時的花刺子模雖然號稱擁兵40萬，但其蘇丹摩柯末卻選擇了錯誤的防禦方略，將兵力分散。死守國內的各個戰略要地，遂被蒙軍逐個擊破。蒙軍連戰連勝，兵鋒直指花刺子模的心臟地帶——阿姆河與錫爾河之間的河中地區。
1220年2月，成吉思汗和拖雷率領的蒙古中路軍秘密渡過錫爾河，越過基吉爾庫姆沙漠，實施遠距離大縱深穿插迂迴，迅速攻克重鎮不花刺，（烏茲別克斯坦文化名城布哈拉），隨即洗劫了這座「學問的中心」。
蒙古人在此燒殺搶掠之後離開，他們的下一個目標，便是花刺子模的新首都：撒馬爾罕。
撒馬爾罕是一座人口達到50萬的繁華大城，是當時中亞穆斯林世界的政治、經濟中心。「撒馬爾罕」在烏茲別克語中的意思就是「肥沃的土地」。
它是花刺子模蘇丹統治區域中最大的一個，論土地，它又是諸郡中最肥沃的一個，它是人世間最美的天堂，花刺子模人是這麼認為的。
撒馬爾罕北、東、西三面環山，只有西面一馬平川是平原地帶。在遠處又有錫爾河、阿姆河三面環繞，地勢優越，又當要衝，戰略地位十分重要。因此，蘇丹摩訶末把它作為戰略重心苦心經營，為了迎戰蒙軍，在城市四周建築起長達34公裡的外壘防線，城牆增加到「如昂星一般高」，城壕也深挖到了幹土之下的蓄水層並灌滿了水。
摩訶末派自己的舅舅脫蓋罕率領11萬精銳（突厥6萬，波斯士兵5萬），並有20頭戰象堅守撒馬爾罕，同時還向居民預先徵收了三年的賦稅。
城中軍民普遍認為撒馬爾罕的城防牢不可破，即便面對再強大的軍隊也能抵抗3-4年的世家。成吉思汗在獲悉這些情報後，也感受到了即將面臨的是一場惡戰，估計攻克撒馬爾罕需要花費不少時間，為此蒙軍行動異常謹慎，一直等到與察合臺和窩闊臺率領的另一路蒙軍會合，集中了絕對優勢兵力紅藕，才準備強攻這座「天堂之城」。
就攻城而言，蒙軍其實並不佔優勢。蒙軍主力是騎兵，輕騎兵大概佔了6成，其餘是重騎兵。蒙古騎兵一般配置一柄戰斧或馬刀，一麵皮制盾牌，兩張組合反曲弓和數囊羽箭。輕騎兵幾乎不批甲，重騎兵則身披皮革製造的輕便甲冑。
花刺子模是脫離西遼統治後迅速崛起的政權，它佔據了整個波斯，與印度河以北的阿富汗土地，其軍隊戰鬥力自然不可小覷。他們身披鎖子甲、手持長矛與蒙古軍類似的組合反曲弓。
花刺子模騎兵在當時在穆斯林世界是非常有名的，他們身騎漢武帝都羨慕的大宛「汗血寶馬「，手持輕便而犀利的環刀。以裝備和馬匹而言，在平原作戰，身材高大，軀幹強壯、負荷量大得大宛馬遠遠勝過矮小、跑速慢的蒙古馬。
但是，花刺子模軍隊有一個致命的缺陷，那就是其士兵都是一些為餉銀而戰的僱傭兵，其組織能力、紀律和戰鬥意志相比成吉思汗以「札撒」（軍法）訓練出來的蒙古戰士相去甚遠。
當蒙軍將這座城市圍困起來時，撒馬爾罕的守軍們鼓起勇氣，殺出城門，打算與世界徵服者的軍隊展開野戰。
蒙古軍隊的野戰充分體現輕騎兵戰術的特點。一般分為五個分隊，前二後三，前排為重騎兵，後排為輕騎兵。進攻時，後排親一遍越過前排首先出擊，衝鋒時以千人隊為單位逐次衝到敵陣旁發射攻堅，然後折返，這樣循環往復，連續不斷地將敵軍籠罩在蒙古人的箭雨之下。
等到敵軍承受不住弓箭的攢射，陣線散亂時，輕騎兵向兩側撤退，讓出空間給重騎兵完成致命一擊，同時向敵人兩翼迂迴包抄。
兩軍廝殺了整整一個白天后，雙方都蒙受了很大的傷亡，迎戰的花刺子模軍顯示出了不凡的戰鬥力，不僅頂住了蒙軍的衝擊，甚至能在短兵相接中殺死一些蒙古士兵。
雖然沒有再野戰中殲滅花刺子模軍隊，但蒙軍攻勢絲毫不減。到了傍晚，成吉思汗親自上馬，指揮蒙軍從四面攻城。
在與金、夏多年的交戰中，蒙軍已經累積起了豐富的攻城經驗，從中原漢地獲取了一批先進的攻城器械。在西徵蒙軍中，就有著一個非常大得砲兵團，這支部隊裝備了大量的投擲器和投石機。
在蒙軍強大投石機的的攻勢下，撒馬爾罕堡前壕溝都要被石頭和殺死的人畜填平，為了挽回不利的局勢，花刺子模將20頭戰象作為秘密武器投入了了戰場。
花刺子模原本指望身軀巨大身披鐵甲的戰象會把蒙軍衝個七零八落，從而一舉扭轉戰局，然而面對戰象的突然衝擊，蒙軍陣型並沒有混亂，他們用一種被稱之為「擒王」的強弩射傷了大象。負傷的大象驚恐不安地往回跑，腳下踐踏了許多花刺子模人。於是，守軍只能放棄外壘，龜縮回撒馬爾罕城中。
僅僅一天的戰鬥，撒馬爾罕人原本對于堅固城防的自信已經蕩然無存。激烈的戰鬥使得城內軍民憂心忡忡，一些人企圖繼續抵抗，但有的人卻渴望屈膝投降，還剩下的一部分人心存疑慮，無心戰鬥。
當蒙古軍繼續勢不可擋的攻勢時，守城軍民的意志終於北葵，從思想上解除了武裝，由伊斯蘭長老、《古蘭經》的保管者、伊斯蘭教法官等城裡的頭面人物出面，前去覲見成吉思汗乞求投降，最終得到了成吉思汗的允許。
危難之時，手裡還掌握著3萬突厥精兵的守城主將脫蓋罕也向外甥甥摩訶末 反戈一擊，全軍三萬人毫無氣節地帶著 妻兒出城向成吉思汗投誠。
1220年3月19日，撒馬爾罕開城投降，而這座「固若金湯」的天使之城，其守城的戰鬥實際上只經歷了一天，便宣告陷落。
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