一月十一日凌晨卯时三刻，蒙古大军开始攻打忒耳迷城。两百余辆蒙古重兵器车通过放火箭、抛石块的方式攻击忒耳迷城城墙。忒耳迷城守军也不甘示弱，使用重兵器车进行还击。
这样连续进攻了十日，忒耳迷城守军的重兵器车本来比蒙古重兵器车少，渐渐不敌蒙古大军。
经过十天的战斗，忒耳迷城重兵器车有些被火箭烧毁，有些被石块砸坏，已经所剩无几，很多忒耳迷城守军也被射死、烧死、砸死。更致命的是，之前存储的长箭和石块也消耗殆尽。
一月二十一日，成吉思汗命令全军发起总攻。总攻之前，成吉思汗按照惯例作了动员讲话。
成吉思汗说，蒙古勇士们！忒耳迷城是一个盛产美女的城池，也是花剌子模有名的富裕之城，城内美女如云，也有很多的金银珠宝店。这么久你们征战辛苦了！攻入城内后，所有士兵包括我们的攻城步兵都可以进城任意奸污妇女，然后再把城内百姓全部杀死，最后把他们的金银珠宝和粮食物资全部抢光。抢来的银子铜钱你们可以自己留着，黄金珠宝我们统一分配，不管是骑兵还是步兵，是蒙古人还是其他民族的人，都能分到属于你们的一份财富。蒙古勇士们，放手去干吧！
随着成吉思汗一声令下，蒙古大军开始大规模的攻城。一百余辆攻城云梯在毫无阻挡的情况下顺利开至城下，两万攻城步兵在四万蒙古骑兵的掩护下攀爬城墙，攻城步兵很顺利的爬上城墙。
不过爬上城墙后，忒耳迷城长官带着剩下的守军对蒙古攻城步兵发起进攻。蒙古攻城步兵都是花剌子模人征召而来的，他们不想和自己的同胞厮杀，但是也不敢逃跑，于是他们拼死向城门逃跑。在付出巨大的伤亡后，蒙古攻城步兵搬开堵在城门的若干块巨石，打开城门，迎蒙古骑兵入城。
四万蒙古骑兵进城后，迅速攻上城墙，对忒耳迷城守军进行剿杀。两个时辰后，将近十万的忒耳迷城守军几乎全部被杀死，忒耳迷城长官在身负重伤后挥刀自刎。
随后成吉思汗来到城墙，对六支骑兵万人队的万户长说，我们攻打撒马尔罕才用了八天时间，这个小小的忒耳迷城居然抵挡了我们十一天，而且还杀死我们将近上万攻城步兵。这些攻城步兵虽然是花剌子模人，但是加入蒙古大军，就是我们的人，我们也要为他们报仇。你们立即带领所有的蒙古骑兵冲进城内，杀死所有的百姓，抢光金银珠宝、粮食物资！
这时，其他五名万户长都率领所部进城执行成吉思汗的命令了，只有郭宝玉跪下来说，成吉思汗，臣愿意为您冲锋陷阵，但是臣不愿屠杀手无寸铁的百姓，就让臣留在您的身边保卫您的安全吧。
成吉思汗说，好吧，你是汉人，可以理解，你让你的副万户长带队进城，你就留在我的身边吧。
蒙古骑兵进入城内，就开始大规模的屠杀、奸淫，同时进行抢劫，抢金银珠宝、抢粮食物资、抢武器装备。蒙古步兵也轮流进入城内奸淫、抢劫。
有一支骑兵十人队闯进城内一家珠宝店，店里的男人估计上城墙协助守军守城都战死了，女的也不知道逃到什么地方去了，只剩下一个老妇人。十户长命令士兵把店里的珠宝都抢光，但是也没有抢到多少珠宝。十户长心想是不是这个老妇人把珠宝吞进肚子里了，于是命令士兵将这个老妇人杀死，再把肚子剖开，结果什么也没有找到。
整个屠杀、奸淫、抢劫持续到次日晚上才结束。经过清点，城内的三十余万人全部被杀或自杀，其中有很多女人自杀，有些女人是被奸污后被杀或自杀的。另外蒙古大军抢有黄金二十余万两、大小珍珠一万余颗，银子铜钱、粮食物资更是难以计数。
随后蒙古大军退出忒耳迷城，在城下进行休整。此次攻打忒耳迷城致蒙古大军十分辛苦，成吉思汗让他们多休整一些日子。同时成吉思汗预料这样的硬仗还有很多，所以一边休整一边等待援军的到来。直到得知四万援军已进入花剌子模境内，成吉思汗才率领蒙古大军主力继续西进。