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。