攻克不花刺城後，成吉思汗把下一個目標對準了花剌子模的新舊二都。摩訶末終於意識到成吉思汗是不好惹的，他心中似乎有了一些不安和擔心，但自己種下的苦果只能自己去品嚐。他現在能做的事就是緊急收攏各處的精兵，死守新舊都城。
回營兩天後，成吉思汗帶領蒙古軍主力，離開仍冒著滾滾濃煙的不花剌廢墟，向花剌子模國的首都——撒馬爾幹進發。與此同時，其他幾路大軍的攻城訊息也不斷傳到了成吉思汗耳中：朮赤率領的軍隊攻下了氈的州內、位於錫爾河畔的速格納黑城，又連續佔領了訛跡刊城（今吉爾吉斯斯坦烏支根）、巴耳赤邢城和額失納思城（今哈薩克孜勒奧爾達市），眼看就要到氈的城了。
第三路大軍一萬五千人由阿剌黑、速客禿和塔海三員戰將率領，正在進攻費納客忒（今烏孜別克西南錫爾河北）。花剌子模的守將亦列惕古滅裡帶著一支突厥、康裡軍在這裡與蒙古軍激戰了三天，第四天，城民因為害怕戰爭繼續，開啟城門放蒙古軍進來。抵抗者都被強行分配到哈沙兒隊，替蒙古軍作戰，費納客忒被攻下來了。隨後，阿剌黑、速客禿、塔海率軍沿拔汗那河谷，順錫爾河而下，進攻忽氈。
忽氈的老百姓對蒙古人談虎色變，當蒙古軍兵臨城下時，他們紛紛躲進城堡或是逃之夭夭。忽氈的守城將領帖木兒蔑裡是一員少有的虎將，也是花剌子模的民族英雄。民間傳聞說：即使魯斯坦（當地有名的英雄）再世，也只配給他當馬伕。
帖木兒蔑裡
忽氈城也分為內外兩城，外城沿河兩岸而建，內城核心城堡則修在錫爾河中央，河水分股的洲島上。洲島岩石扎入河中，高大牢固，下面還有一邊沙灘延伸，因此，城堡據河對岸還有很遠的距離，城堡內有近萬名勇士駐守，帖木兒蔑裡把指揮所設在這個半島形的岩石洲上，錫爾河護著這個洲，地勢檢要，蒙古軍的弓箭射不到那個地方，攻城的火器也沒有那麼遠的射程，騎兵更是難以渡涉錫爾河，蒙古大軍只能望島興嘆。
阿剌黑一時也無良策，只得先掃清外圍之敵。外圍守軍僅幾千人，蒙古軍一到，他們便逃走了一部分，另一部分想打也不是蒙古軍的對手，僅戰守一天就潰敗了。速客禿見敵方軍將中有一人勇猛異常，便追殺過去。雙方都使刀，砍殺了一陣，不分勝負。塔海見狀忙過來助戰。速客禿與塔海二人聯手對敵，又戰了二十多回合，也沒有將對方拿下。這時，敵將立定馬喊道：“聽說蒙古蠻人個個神勇善戰，我看不過是徒有虛名。倘若你等真有本事，就到我洲堡去戰。”說完大笑離去。速客禿這才知道，此人就是守城主將帖木兒蔑裡，他正想去追，但帖木兒蔑裡已棄馬上船，飛渡上島了。
蒙古軍在外城再沒遇到強烈的抵抗，但下一步怎麼辦？三位將軍湊在一起商量對策。速客禿、阿刺黑、塔海都不是平庸之輩，立下過赫赫戰功，可眼下連小小一個城堡也攻不下，如何向大汗交代？望著殺機重重的錫爾河，速客禿靈機一動，計上心來：忽氈城不就憑著它的有利地勢與蒙古軍抵抗嗎？現在應該想辦法打破這一格局。填河，但工程浩大，且缺少堅硬之物；造舟，這既要時日，又要有大批工匠，再說船造好了，蒙古人未必會用。這兩個計策實施起來都有很大難度，他們權衡利弊，最終選擇了前者。他們從其他城鎮調來一批哈沙兒隊約三萬人，把他們進行編組，十人一小組，一百人一大組，類似於蒙古國的千戶制，由蒙古軍將領負責監督看守，讓他們從很遠的地方運石頭來排河，又讓附近的老百姓提供食宿等後勤服務。
激戰忽氈城
填河大軍輕夜不停地往錫爾河中準石頭，以填平河岸與洲堡之間的間隔。這項艱苦的工程一做就是半個月。帖木兒蔑裡不愧為花刺子模名將，他有勇有謀，驍勇無雙，才智過人，不僅對內城嚴防死守，還想好了進退之路。他在內城集中了一批工匠和材料，讓他們造出了幾十艘獨特的船隻，船身窄長堅固，船體蒙上溼毯，以防撞、防火，船體上部開有窺視孔，既可以觀察敵情，又可以從裡面射箭攻擊。帖木兒蔑裡每天派出十幾艘船在河中巡查，清除填河的石頭，並攻擊填河的人。
蒙古軍見狀，忙命弓弩手射箭，但箭嵌大部分都紮在船體上，被敵軍收走，或是掉進河裡漂走了。帖木兒蔑裡充分利用自身優勢，採取死守九日、猛攻一日的連環戰略，守時寸土不讓、頑強還擊，攻時如閃電般迅疾，比如夜間偷襲，重創蒙古軍後又迅速躲入堡內。雙方就這樣遠攻近守，僵持下來。
為了打破僵局，蒙古軍又調來了大炮，但城堡在大炮的射程之外，發射的炮石只是將城堡周圍的河水或沙土濺起老高。蒙古將士絞盡腦汁，也奈何不了帖木兒蔑裡。不過，這也使得帖木兒蔑裡不敢採取更大規模的行動。
不久，完成了氈的等城攻城任務的朮赤接到成吉思汗的命令，前來援助他們，被帖木兒蔑裡折騰得疲憊不堪的蒙古士兵又恢復了往日的精神和勇氣。他們把忽氈城圍得水洩不通，帖木兒蔑裡就是插翅也難逃。
帖木兒蔑裡低估了蒙古人的耐性，沒想到這群草原狼幾個月也不退去。忽氈內城雖然備有大量物資，但畢竟是一座孤城，既無援軍到來，又無糧草補充，守下去必是死路一條。
一天夜裡，帖木兒蔑里正在苦思退路，突然一道閃電照亮了河水，大雨傾盆而下。他想，大雨之後，河水必然猛漲，那樣就有機會乘快船逃掉了。他趕緊傳令準備幾十艘快船。第二天三更夜，大雨下個不停，帖木兒蔑裡組織了七十艘船冒雨突圍。他把剩下的輜重以及傷員搬到船上，自己率領一隊勇士登上一條大艇，然後突然點起火把，順著湍急的河水而下。
蒙古軍發現帖木兒蔑裡想要逃走，趕緊派輕騎沿河岸追趕。朮赤又傳令沿岸的蒙古軍阻截，但已經來不及了，帖木兒蔑裡早已揚帆跑遠。每當蒙古軍的快騎追上忽氈人的船隊，帖木兒蔑裡就率領一隊勇士從船上向陸上的蒙古騎兵放箭。他們的箭法非常精準，射殺了不少蒙古士兵，而蒙古軍的箭雖然能射到船體，卻拿他沒辦法。
朮赤見狀，又命快騎趕到下游拉鐵鏈為索、結舟為梁，並配以火炮攔住帖木兒蔑裡的去路。經過幾天的圍追堵截，水路已經難行了，帖木兒蔑裡只得帶一隊人馬棄船而逃。
朮赤率眾窮追不捨。面對如蜂蟻般湧上來的蒙古士兵，帖木兒蔑裡毫無懼色，他驍勇無比，左躲右閃，左刺右砍，蒙古士兵一時接近不了他。但畢竟寡不敵眾，帖木兒蔑裡的人馬大部分被擄殺，跟隨他的僅剩幾個忠實的隨從。後來，部將都死光了，帖木兒蔑裡仍繼續逃亡，誓死不投降。他把大刀舞得如風車一般，左砍右劈，一邊殊死拼搏，一邊向玉龍傑赤退去。他的武器在激戰中失去了，只剩下三支箭，其中一支還是沒有箭鐵的斷箭。他用這三支箭射向身後的蒙古追騎，箭無虛發，連中三人之目，蒙古騎兵驚駭不已。這時，他立馬於大道上，虛張聲勢地說：“我僅剩下兩支最好的箭了，但我捨不得用。識相的就退回去吧，免得浪費我的好箭！”在幾個蒙古兵躊躇之間，帖木兒蔑裡便乘機逃走了。
帖木兒蔑裡這一走，如放虎歸山，他逃到玉龍傑赤後，重整旗鼓，繼續對抗蒙古人。他的頑強抵抗，使攻克小小的忽氈城變成了一場苦戰，對攻克過無數城堡的蒙古大軍來說，這是極少遇到的情況。