Тем временем отряды конницы под командованием Алак-нойона атаковали Бенакет к северу от Ходженда и к западу от Ташкента. Тюркские наёмники, оборонявшие его стены, сражались три дня, после чего согласились сдаться. Но, войдя в город, монголы перебили весь гарнизон. А всех жителей, по своему обыкновению, собрали в одном месте, после чего произвели отбор. Ремесленников частью распределили между боевыми отрядами, частью согнали в лагерь, чтобы отослать в Монголию. Женщин поделили между кланами. Остальных рассеяли по войскам, чтобы использовать в качестве заложников или живого щита между осаждающими и осаждёнными.
Затем настал черёд Ходженда в Фергане. Командующий крепостью Тимур-Малик был известен как опытный и храбрый воин. Он засел в крепости на берегу реки с тысячей отборных воинов, готовых драться, как львы. Персидские летописи уверяют, что крепость была так удачно расположена, что враг был вынужден мобилизовать на её взятие 20 тысяч воинов и 50 тысяч пленников, что следует считать явным преувеличением. Монголы использовали пленников для постройки моста из лодок через реку выше по течению. Потом пленников заставили нанести камней, чтобы затопить их под переходом, образованным из сцепленных лодок, и построить таким образом плотину, по которой конница прошла бы как посуху. Тимур-Малик умело противодействовал этим приготовлениям монголов. В его распоряжении тоже были лодки, и он использовал их для того, чтобы не давать покоя рабочим и надсмотрщикам, занятым устройством плотины. Но что могла сделать одна тысяча воинов против монгольской орды? Тимур-Малик собрал своих самых верных соратников и сумел спуститься с ними по Сырдарье, высадиться на берег и, уйдя от посланного за ним вдогонку вражеского отряда, невредимым достигнуть лагеря шаха.
Пока люди хана брали один за другим города восточного Хорезма, он со своим сыном Тулуем вошёл в Маверан-нахр — область, расположенную между реками Сырдарья и Амударья. Город Нур был взят хитростью. Переодевшись в караванщиков, монголы выдали себя за беженцев и, не опознанные часовыми, дошли до предместий города. Потом пробились через городские ворота, и местные власти, увидев, что дело проиграно, сдались. Жителей заставили покинуть город, а власти — выплатить дань в размере 1500 динаров. Город был разграблен, и повозки с награбленным добром последовали за войсками завоевателей.
В начале 1220 года подошли к Бухаре. Тогда это был один из самых красивых городов государства хорезмшахов, если не всего Востока. Расположенная на западном краю большого оазиса Зеравшан, вблизи пустыни Кызылкум, Бухара когда-то была столицей эмирата Саманидов — иранцев, обращённых в ислам, потом тюрок Караханидов и каракитаев. Бухара была известным религиозным и культурным центром, куда издалека приходили паломники, чтобы собраться в Пятничной мечети и у мавзолея Исмаила Саманида. Знаменитая своим ковроткачеством, Бухара была крупным торговым центром, имевшим своих финансовых агентов вплоть до Малой Азии и Египта. Вокруг города было множество ирригационных каналов (арыков) и подземных водоводов (каризов), которые обеспечивали подачу воды на поля. Благодаря системе водохранилищ, цистерн и шлюзов вода поступала в город, что позволяло мыть шерсть и разводить краски, применяемые в ковроткачестве. Менее чем через месяц и Бухара была захвачена войском Чингисхана.
Значительный гарнизон, состоявший из наёмников — тюрок-сельджуков, попытался совершить против монголов вылазку, которая окончилась трагически: все тюрки оказались запертыми в предместьях и были перебиты. В середине февраля Чингисхан бросил пленников на штурм городских ворот, и с помощью баллист ему удалось прорвать укрепления. Вскоре он сам вошёл в город. Последние защитники Бухары, укрывавшиеся в цитадели, были казнены, а жителей заставили выйти из города. Всех, кого потом монголы находили спрятавшимися в городских закоулках, убивали на месте.
Все персидские авторы сообщают, что разгром Бухары был чудовищным святотатством, что монголы выказали полное презрение к побеждённым, к их религии и культуре. В хрониках рассказывается, как монгольские всадники оскверняли святые места, бросали в нечистоты Коран и книги духовного содержания, как сам Чингисхан верхом на коне ворвался в большую мечеть, приняв её за шахский дворец. На виду у перепуганных молящихся он крикнул своим сопровождающим, что пора дать корм лошадям. Сотни горожан якобы предпочли покончить с собой, чем терпеть издевательства захватчиков. Мужчины убивали своих жён, чтобы те не стали жертвами похоти врага. Судья Садр ад-Дин, имам Руха ад-Дин и некоторые другие известные в Бухаре люди свели счёты с жизнью.
Джувейни приписал Чингисхану, виновнику всех этих злодейств, такие слова: «Я вам скажу, что я бич Всевышнего, и если бы вы не были большими грешниками, Аллах не обрушил бы меня на ваши головы». Арабский историк Ибн-аль-Асир в своём описании монгольского вторжения, включённом им в книгу «Аг-камил фи-т-Тарих» (что переводится как «Совершенная история»), так описывает одну из картин разорения Бухары: «Это был ужасающий день, слышны были только стенания мужчин, женщин и детей, которых навсегда разлучали: монгольские войска делили между собой население».
Финал трагедии ознаменовался гигантским пожаром. Город Бухара на несколько десятилетий прекратил своё существование. Зараза, распространяемая тысячами непогребённых тел, вскоре выгнала из города ещё остававшихся в живых. Окрестные крестьяне уходили далеко в поисках пристанища. Брошенные домашние животные погибли. Ирригационные каналы были разрушены, поля заброшены, опустошены и захвачены песками. От Бухары с её дворцами и мечетями остались лишь развалины.
Оставив на востоке разорённую Бухару, Чингисхан вдоль берега реки Зеравшан пошёл на Самарканд. За его повозками тянулись пленники, используемые как рабочая сила, против своей воли помогавшие врагу разрушать собственную страну. Самарканд (древняя Мараканда), город с богатейшей историей, был когда-то столицей Согдианы. В 329 году до и. э. он был захвачен Александром Македонским, в 712 году пережил арабское нашествие. При Саманидах город был на подъёме. Расположенный в центре оазиса, он процветал благодаря своей превосходной системе ирригации.
Как большинство средневековых городов, в том числе и соседняя с ним Бухара, Самарканд делился на кварталы. Рядом с цитаделью находился квартал дворцов, административных зданий с его библиотеками, культовыми постройками из кирпича, многие из которых были облицованы цветными изразцами, славившимися по всему Востоку. В пригородах теснилось множество хибарок, в которых не покладая рук трудились ремесленники — ювелиры, шорники, жестянщики, кожевники. Существовали отдельные улицы гончаров, оружейников, чеканщиков и краснодеревщиков, изделия которых пользовались спросом вплоть до отдалённых портов Средиземноморья: стальные клинки, кольчуги, расписная и глазурованная керамика, инкрустация из дорогих пород дерева, кувшины с изящной чеканкой. Изготавливали также бумагу, технику производства которой переняли от китайцев. Сады и плантации поставляли в город редкие цветы, фрукты, которые сушили или варили с ароматическими приправами. Фисташки, финики, апельсины, дыни — в зависимости от сезона — наполняли прилавки самаркандских базаров. Некоторые местные купцы отправляли дыни высокого качества «в свинцовых ящиках, обложенных снегом», на запад, и они доходили свежими до Багдада.
Город был обнесён поясом укреплений, которые незадолго до того надстроили. В большом гарнизоне служило множество наёмников, и, по-видимому, очень немногие из самаркандцев могли себе представить, что их город ожидает та же участь, что за несколько месяцев до этого постигла расположенную в 250 километрах к западу Бухару. Даосский монах, китаец Шань Шун, побывавший в Самарканде позднее, отмечал: «Самарканд — это город каналов. Так как летом и осенью там дождей никогда не бывает, его жители повернули течение двух рек в сторону города и распределили их воду между всеми его улицами, так что в каждом жилище она есть в достаточном количестве. До поражения хорезмшаха население Самарканда составляло более 100 тысяч семей… Большинство полей и садов принадлежит мусульманам, но им приходится нанимать китайцев, киданей и тангутов (сися) для всевозможных работ и управления своими владениями. Жилища китайских рабочих разбросаны по всему городу».
Стены славного города были прорезаны четырьмя монументальными воротами. Одни ворота, называвшиеся Китайскими (или Восточными), напоминали о важнейшей роли страны хорезмшахов в торговом обмене, который проходил в течение веков между Дальним Востоком и Передней Азией по разным маршрутам Великого шёлкового пути.
Весной 1229 года Чингисхан со своим войском подошёл к Самарканду. Увидев прочность его укреплений, хан предпочёл дождаться подмоги. Он тщательно разработал план операции и окружил город кольцом своих войск. Когда к нему подошли Угэдэй и Чагатай, гнавшие впереди своей конницы тысячи пленных хорезмийцев, он созвал полевой военный совет, на котором было решено ввести противника в заблуждение относительно численности монгольских сил. Собрали несколько тысяч пленных, сняли с них чалмы и кафтаны и одели их как кочевников. Потом под надзором нойонов Чингисхана несчастные пошли за монгольскими знамёнами к стенам Самарканда. Наёмный гарнизон осаждённого города атаковал наступавших. Как обычно, кочевники последовали старинному правилу военной тактики, согласно которому «из тридцати шести военных хитростей ни одна не сравнится с ложным отступлением». И здесь эта уловка сработала: позволив противнику устрашить нелепо переодетых пленных, монголы внезапно появились позади них и набросились с саблями и топорами на застигнутого врасплох врага, который был вынужден в беспорядке отступить. Сильно потрёпанные монголами тюркские наёмники на пятый день осады города дезертировали. Платили им нерегулярно, они были отрезаны от местного населения, отличались от него языком и обычаями и потому оставили Самарканд без всякой военной защиты, и он был вынужден капитулировать.