Основные силы Чингизхана, двигавшиеся на Бухару, по пути без боя заняли крепости Hyp и Зернук. Последнюю монголы даже назвали "Кутлуг балик" (счастливый город). Крепость Hyp была разграблена. Жителей отпустили, наложив на них дань в размере полутора тысяч золотых динаров. В феврале 1220 года Чингизхан подошел к Бухаре. В это время в Бухаре находился гарнизон из 12 тысяч воинов и 20-тысячное ополчение. Военными силами города командовали Ихтияр ад-дин Кушлу, Инанч-хан Огул-хаджиб, Хамид-Пур кара-китай, Суюнч-хан и некто Гурхан, уйгур по национальности, переметнувшийся от монголов к хорезмшаху. Бухарцы знали о жестокостях монгольских захватчиков и не были готовы отразить удар. На третий день осады отряд Инанч-хана прорвался с боем сквозь войска монголов к берегу Амударьи и переправился через реку. Хамид Пур погиб в бою. Город, лишившийся основных военных сил, направил парламентеров во главе с казием Бадр ад-дином Кази-ханом к Чингизхану с просьбой о помиловании.

16 февраля 1220 года монголы заняли Бухару. Лишь 400 ополченцев во главе с Гурханом еще 12 дней героически сопротивлялись, запершись в арке. Монголы использовали все средства для того, чтобы выбить их оттуда. Лишь с гибелью последнего героя-защитника цитадель была взята. Современники сообщают, что в боях за Бухару погибло более 30 тысяч человек, остальные бухарцы были обращены в рабство. Бухара, со времен Саманидов считавшаяся центром Мавераннахра, была разгромлена. Беспощадно уничтожались памятники архитектуры, книги и другие ценности. Ученые и просветители оказались в услужении у монгольских воинов. Бухарцы, отличавшиеся просвещенностью и этикой поведения, были унижены, их достоинство растоптано.

Некоторые знатные горожане, например, казий Бадр ад-дин, Имам-заде Рукн ад-дин с сыном, не выдержав издевательств, бросились на врагов и погибли в неравном бою. Многие бухарцы не были согласны с капитуляцией и продолжали партизанскую войну, делая ночные вылазки против победителей. Тогда разъяренный Чингизхан приказал сжечь город. Бухара горела несколько дней и превратилась в огромное пепелище. Черными громадами выступали над пеплом останки зданий, дворцов, соборных мечетей и медресе, возведенных из камня и жженого кирпича. Монголы угнали из Бухары в качестве пленных всех ремесленников. Сильных и здоровых мужчин Чингизхан приказал использовать для тяжелых осадных работ при последующих военных действиях. Как писал автор XIII века Ибн ал-Асир, пленники не поспевали за конными монгольскими отрядами, голодные и измученные, они падали от усталости. Тех, кто не мог идти, завоеватели убивали.