Khi quân Mông Cổ tiến quân đến Urgench, Thành Cát Tư Hãn đã phái con út của mình là Đà Lôi (Tolui) chỉ huy một đội quân tiến về tỉnh Khorasan ở phía tây của đế quốc Khwarezmia. Khorasan trước đó đã nhận thấy được sức mạnh của quân Mông Cổ. Vào đầu cuộc chiến, các tướng Triết Biệt và Tốc Bất Đài đã vượt qua tỉnh này khi truy đuổi Shah. Tuy nhiên, vùng này rất khó bị khuất phục, nhiều thành phố chính vẫn nằm ngoài sự kiểm soát của người Mông Cổ, và vùng này có nhiều lực lượng chống lại các lực lượng nhỏ Mông Cổ hiện diện trong vùng, khiến nổi lên một tin đồn là con trai của Shah là Jalal al-Din đang tập hợp quân đội để chống lại Mông Cổ. Quân của Đà Lôi gồm khoảng 50.000 người, bao gồm nòng cốt là lính người Mông Cổ (một số tài liệu ước tính khoảng 7.000[17]), được hỗ trợ bởi một lượng lớn binh lính ngoại tộc, như người Turk và những dân tộc bị chinh phục trước đó ở Trung Hoa và Mông Cổ. Đội quân này cũng bao gồm "3.000 máy phóng tên cháy hạng nặng, 300 xe bắn đá, 700 máy bắn đá để bắn đá lửa, 4.000 thang đột kích, và 2.500 bao đất để lấp hào nước."[8] Những thành phố đầu tiên thất thủ là Termez và Balkh. Thành phố chính thất thủ trước quân của Đà Lôi là Merv. Juvayni viết về Merv như sau: "Về phạm vi lãnh thổ, nó nổi trội hơn hẳn so với những vùng đất khác của Khorasan, và cánh chim của hòa bình và sự bảo vệ bay trên biên giới của nó. Những con người ưu tú của nơi đây nhiều như những hạt mưa tháng tư, và vùng đất này có thể so sánh với những thiên đường."[17]

Quân đồn trú ở Merv chỉ khoảng 12.000, và thành phố tràn ngập những người chạy trốn từ phía đông của đế quốc Khwarezmia. Trong 6 ngày, Đà Lôi bao vây thành phố, và đến ngày thứ bảy, ông ta tấn công. Tuy nhiên, quân đồn trú đã chống trả lại cuộc tấn công và phản công lại quân Mông Cổ. Lực lượng đồn trú bị đánh bật trở lại phải lui vào trong thành phố. Ngày hôm sau, thành chủ của thành phố đầu hàng với lời hứa của Đà Lôi sẽ đảm bảo mạng sống cho cư dân. Tuy nhiên, ngay khi nắm quyền kiểm soát thành phố, Đà Lôi tàn sát hầu hết những người đầu hàng, trong một cuộc thảm sát thậm chí có thể còn lớn hơn cuộc thảm sát ở Urgench. Sau khi công hạ Merv, Đà Lôi tiến về phía tây, tấn công các thành phố Nishapur và Herat.[18] Nishapur thất thủ chỉ sau 3 ngày; ở đây, Thoát Hốt Sát Nhi (Tokuchar), con rể của Thành Cát Tư Hãn bị tử trận, và Đà Lôi giết tất cả những sinh vật sống trong thành phố, không tha cả chó và mèo, với vợ góa của Tokuchar làm chủ trì cuộc giết chóc.[17] Sau khi Nishapur thất thủ, Herat đầu hàng không kháng cự và được tha chết. Với trường hợp những người Bamia ở Hindukush thì lại là một cảnh giết chóc khác, sự kháng cự mạnh mẽ ở đây đã khiến cho một cháu trai của Thành Cát Tư Hãn tử trận. Tiếp theo là các thành phố Toos và Mashad. Đến mùa xuân năm 1221, tỉnh Khurasan đã hoàn toàn nằm trong tay quân Mông Cổ. Để một lượng quân đồn trú ở lại, Đà Lôi quay trở lại phía đông để hội quân với cha ông ta.