太祖十六年（1221），蒙古军游骑抵玉龙杰赤城下，驱赶百姓的牲畜。守军见敌势弱，出城击败之。在追击中与蒙古后援部队相遇，发生激烈战斗，守军战败。大股蒙古军紧追花剌子模溃军不舍，随溃军一起突入玉龙杰赤城内。傍晚，由于入城兵力单薄，攻入城内的蒙古军被迫撤出。次日，蒙古军再次开始攻城。守军开门应战，英勇抗击，蒙古军无法攻入城内。直至朮赤、察合台、窝阔台率领的蒙古军主力赶到，才在城郊站住脚，玉龙杰赤团团围住。
蒙古贵族调来大批回回军助战，采用了种种策略：遣使招降、用回回军填平护城壕、切断阿母河水源，使用了包括抛石机在内的各种攻城器材，均不能奏效。为破坏拦蓄阿母河水的水坝，三千名蒙古军对坝区发动攻击，但被预有准备的守军全部歼灭。朮赤与察合台关系不睦，各路蒙古军不能互相配合协同，消耗了大量的人力物力，伤亡甚重，苦战达七个月之久，始终不能破城。成吉思汗下令由窝阔台全权指挥。窝阔台重新组织攻城。各路蒙古军协调作战部署，很快破城。
守军与蒙古军展开巷战，直至第七天，蒙古军才完全控制玉龙杰赤全城。为了惩罚守军的顽强抵抗，除了工匠和妇女、儿童得以赦免外，其余人一律处死。参加攻城的五万名蒙古军，平均每人处死了二十四名俘虏。按蒙古旧制，攻取敌国之后，降民由可汗分配。但在攻陷玉龙杰赤后，朮赤、察合台、窝阔台三人私自瓜分了该城的民户，未留成吉思汗的份额。成吉思汗闻知后，对他们严加斥责，下令禁止诸王私分土地人口。以玉龙杰赤为中心的花剌子模本土，后来成为钦察汗国的一部分。
