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其余几路配合军队进攻的同时，成吉思汗和拖雷率领的中路大军越过了锡尔河，直插中亚地区的核心——不花剌和撒麻耳干。
撒麻耳干在不花剌的东面，距离锡尔河更近，本来应该首先受到打击。但成吉思汗却选择绕过撒麻耳干，进攻更加靠西的不花剌。之所以这样做，一是因为蒙古人在进攻时更乐于采用迂回战术，二是因为不花剌位于撒麻耳干和玉龙杰赤中间，进攻这里，可以将两座城市隔开，各个击破。
在去往不花剌的途中，他们首先经过匝儿纳黑城。在进攻之前，成吉思汗派遣一个穆斯林
前去劝说该城投降。但当这里的人们真的决定投降时，他又采取了恩威并施的做法，首先对对方这么晚才来归顺表示愤怒，之后又和颜悦色地表示赦免他们。
赦免，体现了蒙古人对归顺者的优待，表明蒙古人并非一味滥杀。可是，在赦免的同时，成吉思汗的一个命令又让我们看到他是一个精明的战争领袖。他虽然表示不杀人，但命令城里的所有人，不论男女老幼，都要出城等待。等人们出城之后，蒙古人推翻城墙，让此城丧失了再次抵抗的能力。然后蒙古人清点人数，将其中所有的青壮年都带走，释放剩下的人，准许他们回家。这些青壮年就成了蒙古人继续征战的预备队和生力军。
成吉思汗对第一个投降的城市采取了掳掠人口的做法，而对第二个城市的做法又有了区别。他们经过的第二个城市叫作讷儿，这里的居民也没有反抗。当蒙古大将速不台带着先头部队到来时，他们与城市居民达成协议，讷儿人将生活必需品（包括牛羊）都带到城外，之后蒙古人将城内剩下的东西劫掠一空。因此，第二座城市给蒙古人提供的主要是物资和军费。
但这一次劫掠得来的钱财依然不能满足蒙古人的胃口。速不台掠夺完毕，成吉思汗本人率领主力军队到来后，决定开始进一步压榨。他问这里的人，每年需要向花剌子模帝国缴纳多少常赋，得到的答案是1500第纳尔。于是，他要求居民用现金缴纳这笔赋税，也就是在不增加税赋的同时，将税收从花剌子模转移到蒙古一方来。由于城市刚刚遭受掠夺，没有足够的钱财，妇女们用首饰凑够一半费用，而剩下的一半，只能由当地贵族进行担保，表示以后缴纳。等到实在压榨不出别的东西了，蒙古人才继续上路，将完好的城市留给当地居民。
从这里也可以看出，蒙古人对投降的城市也并不仁慈，而是根据自己的战争目的行事。他们的主要目的，一是补充军事人员，二是掠夺财富和物资。只要满足了这两个条件，城市和人的性命就能够得以保全。人们常认为战争就是一次性的角逐，直接分出胜负。但对真正的统帅而言，打仗就像开一家公司，要保持公司的现金流并让战争人员逐渐发展壮大，而不是越拼越少，而这就离不开战争财政。在中国古代的历史上，只有对战争财政（包括人员）保持关注的人才能取得最终的胜利。
1220年（元太祖十五年，南宋嘉定十三年）三月初，成吉思汗到达不花剌。拂晓时，城内有两万后备军从不花剌逃出来，被蒙古人在阿姆河岸上杀光。
这次屠杀震惊了不花剌，反而让接下来的事情变得更加容易了。第二天，不花剌人就选择了投降，蒙古人进城。
不花剌与中亚的其他城市一样，也分成内外城。这里需要注意的是，投降的是不花剌的居民城区，而作为内城的小城堡依然掌握在守军手中，没有投降。
在外城投降后，蒙古人首先选择去粮仓把粮食搜走，以供人、马食用。在蒙古人掌控了粮食之后，这座城市就丧失了反抗的可能性。
最初，蒙古人对不花剌的干扰很少。他们来到城外的木撒剌
，庆祝活动没有被打断，而且成吉思汗亲自出城到达节日庆祝现场，他询问人们：在不花剌的富人有哪些？众人七嘴八舌地回答过后，他得到了一个280人的名单，其中190人是本城的，其余是外地的。成吉思汗下令将这个名单上的人统统带走，他采取威逼利诱的手段，从他们身上榨取了大笔财富。
如果仅仅是做到这一步，对于不花剌也不失为一个良好的结局。但不幸的是，在内城还有数万不肯投降的守军。蒙古人觉得消耗自己的兵力不划算，就把任务交给不花剌的人民。成吉思汗先派人焚烧了内城附近的房屋，由于整个城市是木头造的，由此导致了全城大火，整个城市遭受了毁灭性破坏。接着，他让蒙古兵逼迫当地人去进攻内城，这样的进攻持续了几天，内城最终陷落，3万多守军全部被杀，他们的家属全部沦为奴隶。
不花剌到这时才被完全征服。由于城市已经被毁，成吉思汗将所有人赶到平原上，将青壮劳力抓走入伍，释放其余的人。这些青壮劳力就成了他们进一步进攻的苦力和生力军。
从这里也可以看到，蒙古人不管是屠戮，还是赦免，都有着明确的目的，那就是寻找更多的物资、财富和人员，以供养他们本民族的军事力量，只有这样，才能形成更加持久的战斗力。蒙古战争的准确意图是：破坏是为了震慑被征服者，但保留是为了统治被征服地区和发动新的战争。蒙古人劫掠一次之后，就没有再骚扰这座城市，成吉思汗派塔兀沙八思哈管理这里，让它恢复了繁荣。最后，这里成了牙老瓦赤
的管理地区，城市更加繁荣。
我们可以看出，成吉思汗像是一个精明的生意人，精心算计着在路上可以获得的一切，以保证其军事力量不仅不会枯竭，反而更加壮大。当他们离开不花剌前往撒麻耳干时，这支队伍就是这样：在得到了金钱、人力和物资的补充之后，变得更加强壮，更加好战，渴望着更多的战利品。
当蒙古人进攻时，花剌子模的苏丹穆罕默德已经离开了撒麻耳干。
这座城市本来是苏丹防范蒙古人的重镇，在成吉思汗大军刚到边境讹答剌时，撒麻耳干的城墙就已经加固。镇守撒麻耳干的军队一共11万人，其中有6万是突厥人，5万是波斯人。
除了军队，城市居民也很多。撒麻耳干集结的兵力强，人口众多，不容易被攻克，这也是成吉思汗首先攻打不花剌的原因之一。但没想到不花剌失守后，苏丹穆罕默德竟然主动离开撒麻耳干这个最有利的战略点。
不管苏丹穆罕默德是否离开，蒙古人的进攻都有条不紊。由于撒麻耳干过于重要，从不花剌前来的蒙古军队采取了与之前不同的做法。在路上，他们碰到了一些抵抗的城镇，这一次成吉思汗不再纠缠，而是交给他的部下去处理，自己则一路快速行军。成吉思汗到达撒麻耳干后，他的两个儿子察合台和窝阔台也到达了这里。
由于有了更多的军队，成吉思汗派出哲别和速不台率领3万军队向南方去追赶苏丹，又派两名将领去进攻南面的镬沙（即瓦赫什，位于今塔吉克斯坦）和塔里寒（位于今阿富汗东北部，兴都库什山以北），自己率领剩余人马留下来攻城。
攻城在他到达后的第三天开始。蒙古人围困了城池，城内的士兵冲到城外，与蒙古人血战，双方都有死伤。攻城的第二天，成吉思汗亲自出动，双方都动用了大量武器，从射石机到弓弩。最后，蒙古人占据了城门前的阵地，让城内的士兵无法出城集结。城内为了冲散城门附近的蒙古兵，甚至放出了他们的新式武器——大象。但没有起作用。
这一天的战斗让城内损失惨重。到了夜间，抵抗者意识到无法取胜，决定投降。他们在第二天派人与成吉思汗谈判，获得许诺，于是打开城门。但是，这一次的投降依然与不花剌一样，外城的人们投降，内城的士兵却选择继续抵抗。
于是，按照双方协议，外城的居民暂时不动，蒙古人则集中精力用一天一夜的时间拆毁了外城。随后，蒙古大军入城，男女居民以百人为组，被赶到了城外，只有5万多人得到蒙古人的批准，留在城内。
居民出城之后，蒙古人开始大肆搜捕，除了获准留下的5万多人，那些不肯出城的人全部被杀。
在这里，我们从蒙古人对一种“战争武器”的处理很能看出成吉思汗的特点。由于这里有一批用于战争的大象，象夫们前来询问如何处理这些大家伙。普通的征服者会对这些来自遥远南方的动物感到好奇，就像罗马的征服者喜欢将世界各地的珍禽异兽都带回罗马举行凯旋仪式一样。但成吉思汗仅仅从实用性来考虑问题，他认为这些大象不仅毫无用处，还会抢占资源（粮草），于是下令将大象全部放生。当然，他不知道，这些大象由于离开了热带环境，一旦被放生，最后的命运就是死亡。
解决完外城之后，就只剩下内城了。此时的内城依然有数万人之众，其中一个叫作阿勒卜汗（又译阿勒巴尔汗，意为“勇敢者”）的将领甚至率领千人冲出重围，去与苏丹穆罕默德会合了。但剩下没有突围的这数万人是有分歧的，他们当中的大部分人并不想抵抗，但有一小部分是最坚决的抵抗者（大约只有千人）。于是蒙古人消灭了坚定的抵抗者，剩下的3万多人一看抵抗无效，就选择了投降。对于最后投降的这些人，成吉思汗也采取了安抚的做法：首先将他们赶到城外，按照突厥人和波斯人分成两队，每队再按照十人、百人分组，把他们的头发剃成蒙古样式的，看上去是要让他们加入蒙古军队。
但就在人们放松警惕时，当天晚上，3万多人尽数被杀，这表明了蒙古人对抵抗者的不宽恕，也是警告那些后来的抵抗者，不要抱有侥幸心理。
到此时，整个撒麻耳干在战斗中已经被毁灭殆尽。事实上，撒麻耳干自从被蒙古人毁掉之后，就没有像不花剌那样在原址重建。至今在撒马尔罕的郊区，依然有大片高台和废墟，那才是蒙古人之前的“万城之王”撒麻耳干。
在杀掉内城守军、占领整座城市之后，成吉思汗开始区别对待外城的居民。他将3万手艺人挑出来分给自己的儿子和手下的将领，又将一批年轻人吸纳入军队。剩下的人因对蒙古军事没有直接用途，被允许缴纳赎金回城。撒麻耳干为此又付出20万第纳尔的赎金，是讷儿城的100多倍。
之后，成吉思汗并没有破坏撒麻耳干的政治体系，只是派驻了达鲁花赤（该职位相当于总督），让他接管撒麻耳干原来的政治系统。之后，成吉思汗派他的儿子去进攻北方的玉龙杰赤，而自己则前往南方的呼罗珊（现在的伊朗东北部、阿富汗大部和土库曼斯坦部分地区）。接下来在各地的作战过程中，蒙古人又数次在撒麻耳干征兵，补充军队。
在征服不花剌时，成吉思汗需要的是物资、财富和士兵，而对撒麻耳干，除此之外，还展现了蒙古人对另一类人群——手艺人（工匠）——的渴望。
事实上，由于北方草原物资的贫乏，所有的草原民族都缺乏工业体系，导致他们自己没有足够的工匠。于是在战争过程中，工匠群体成了珍稀资源。不管是蒙古人，还是之前的契丹人、女真人，在攻克了一座城市之后，哪怕要屠城，也会首先将工匠群体找出来并带到北方，让他们为自己建设城市。在女真建立的金国攻克北宋都城汴京的过程中，除了皇族成员，其余被带走的主要就是工匠。
在蒙古人日后的战争中，我们还会无数次看到这个特征，他们对于工匠是如此喜爱，正是在这些工匠的努力之下，伟大的蒙古都城哈剌和林才得以建立。