Năm 1209, Thành Cát Tư Hãn tiến hành chiến dịch thực sự chinh phục Tây Hạ. Lý An Toàn yêu cầu viện trợ từ nước Kim, nhưng hoàng đế mới của Kim là Hoàn Nhan Doãn Tế đã từ chối viện trợ.[12] Sau khi đánh bại một lực lượng do Cao Lương Huệ chỉ huy bên ngoài Lạt Hài Thành (剌孩城), quân Mông Cổ đã chiếm được thành phố và tiến lên dọc theo sông Hoàng Hà, công phá một số thành trì trên đường tiến quân, đến pháo đài Khắc Di Môn (克夷門), nơi bảo vệ con đường duy nhất qua dãy núi Hạ Lan để đến kinh đô Ngân Xuyên của Tây Hạ.[3][13][14] Với lực lượng đồn trú lên đến 7 vạn, cộng với 5 vạn quân tiếp viện, tòa thành tỏ ra quá khó để chiếm giữ, và sau hai tháng bế tắc, quân Mông Cổ quyết định dùng kế nghi binh, giả cách rút lui, dụ quân đồn trú do Ngụy Danh Linh Công (嵬名令公) đuổi theo rồi dễ dàng tiêu diệt họ trong một trận phục kích. Con đường thương mại đã rộng mở, Thành Cát Tư Hãn tiến về kinh đô Tây Hạ.

Được phòng thủ một cách vững chắc, kinh đô Ngân Xuyên của Tây Hạ có binh lực khoảng 15 vạn quân, gần gấp đôi quân Mông Cổ.[15] Một trong những lợi thế của quân Tây Hạ trong cuộc chiến phòng thủ, là quân Mông Cổ thiếu trang bị và kinh nghiệm thích hợp để chiếm thành trì. Quân Mông Cổ đã tiếp cận kinh thành từ tháng 5, nhưng đến tận tháng 10 vẫn không thành công trong việc công phá thành. Thành Cát Tư Hãn đã cố gắng làm ngập lụt Ngân Xuyên bằng cách chuyển dòng sông và mạng lưới kênh tưới của nó vào tòa thành, và đến tháng 1 năm 1210, các bức tường thành của Ngân Xuyên gần như bị phá vỡ. Tuy nhiên, con đê dùng để chuyển dòng sông đã bị vỡ, và trận lụt sau đó đã quét sạch trại của người Mông Cổ, buộc quân Mông Cổ phải chiếm lấy vùng đất cao hơn. Bất chấp sự thất bại này, người Mông Cổ vẫn gây ra mối đe dọa đối với Tây Hạ. Do mùa màng bị phá hủy và không có sự viện trợ nào từ nước Kim, Lý An Toàn đành đồng ý phục tùng sự cai trị của người Mông Cổ, thể hiện lòng trung thành của mình bằng cách gả con gái của ông là Chaka cho Thành Cát Tư Hãn, chịu cống lạc đà, chim ưng và hàng dệt may cho Mông Cổ.[16]