Окруженный монголами значительный гарнизон, состоящий из тюрков-сельджуков, попытается предпринять вылазку, окончившуюся поражением: все наемники будут настигнуты в предместьях города и уничтожены. В середине февраля Чингисхан пытается, используя пленных в качестве тарана, выбить городские ворота, затем с помощью баллист ему удается пробить бреши в укреплениях. Вскоре после этого он входит в город. Последние защитники, укрывшиеся в крепости, казнены, и жители Бухары должны выйти из города длинной вереницей. Все те, кого монголы отыщут после этого, укрывшихся в каких-нибудь глухих закоулках города, будут заколоты кинжалом на месте.
Все персидские хроники пишут, что разграбление Бухары было чудовищным святотатством, в котором проявилось ужасающее презрение монголов к побежденным, их религии и культуре. Они рассказывают, что монгольские всадники оскверняли святые места, выбрасывали в нечистоты священные книги корана и что хан ворвался в главную мечеть, приняв ее за дворец шаха. Перед повергнутыми в ужас верующими он ворвался верхом на коне, бросив своим офицерам, что пора кормить лошадей. Сотни горожан предпочли покончить с собой, чем терпеть издевательства захватчиков, мужчины убивали своих жен, чтобы над ними не глумился враг. Кади Садртад-дин, имам Рох-ад-дин и другие высокопоставленные лица Бухары покончили с собой.
Джувейни обессмертил эту резню, заставив Чингисхана произнести следующие слова: «Я скажу вам, что я — бич Аллаха, и если бы вы не были великими грешниками, Аллах не послал бы меня на ваши головы». А араб Ибн аль-Асир в своем описании монгольского вторжения, изложенного в Al-Kamil fil-Tarikh, переведенной под названием «Совершенная история», рисует в патетическом тоне сцены, разыгравшиеся в Бухаре: «Это был ужасный день, слышны были только рыдания мужчин, женщин и детей, разлученных навсегда, так как монгольские войска делили население».
Конец трагедии был отмечен гигантским пожаром. Город Бухара на многие десятилетия перестал существовать. Зловоние, исходившее от тысяч трупов, слишком многочисленных, чтобы их можно было похоронить, вскоре изгнало живых. Окрестные крестьяне искали пристанище вдали от города. Животные, брошенные на произвол судьбы, погибли. Ирригационные каналы были разрушены. Заброшенные поля, занесенные песком, оголились. От Бухары, ее дворцов, ее мечетей остались только развалины, уцелевшие от пожара.
Оставив на западе пораженную насмерть Бухару, Чингисхан двинулся по течению Зеравшана, чтобы идти на Самарканд. Следуя за повозками, пленные, используемые в качестве рабочей силы, против своей воли помогали врагу разрушать собственную страну. Город, имеющий богатую историю, Самарканд — в древности Мараканда — был столицей Согдианы; захваченный Александром в 329 году до Рождества Христова, затем занятый арабами в 712 году, он достиг при Саманидах значительного подъема. Расположенный в самом центре оазиса, он был обязан своим процветанием усовершенствованной ирригационной системе.
Как большинство средневековых городов, как соседняя Бухара город Самарканд был разделен на кварталы. Рядом с крепостью был район официальных дворцов и административных канцелярий со своими библиотеками, кирпичными культовыми зданиями, многие из которых были украшены цветной керамикой, славившейся по всему Востоку. В предместьи тесно жались друг к другу многочисленные лавчонки, в которых кипела работа ювелиров, шорников, медников, красильщиков. Были целые улицы, занятые продавцами фаянсовой посуды, оружейниками, изготовлявшими сабли высокого качества, резчиками и краснодеревщиками, чьи изделия покупали даже в далеких портах Средиземного моря: стальные лезвия, кольчуги, расписную и глазурованную керамику, маркетри из драгоценных пород дерева, изящно гравированные кувшины для воды. Изготовляли даже бумагу, технологию которой экспортировали китайцы. В садах выращивали изысканные цветы, фрукты, которые высушивали или засахаривали со специями. Фисташки, финики, «райские яблоки» (апельсины) и дыни лежали грудами, в зависимости от сезона, на самаркандских рынках. Некоторые купцы отправляли вплоть до Багдада дыни высокого качества, уложенные «в свинцовые ящики, покрытые снегом», чтобы сохранить их свежими до мест их дальнего назначения.