Sau khi thu thập các thông tin từ các nguồn tình báo, chủ yếu là từ các gián điệp dọc Con đường tơ lụa, Thành Cát Tư Hãn cẩn thận chuẩn bị lực lượng, được tổ chức khác biệt so với những chiến dịch trước đó của ông. Những sự thay đổi thể hiện bằng việc thêm các đơn vị hỗ trợ cho lực lượng kỵ binh thiện chiến của ông, cả kỵ binh nặng lẫn nhẹ. Trong khi vẫn dựa vào những lợi thế truyền thống về tính linh hoạt của kỵ binh du mục, Thành Cát Tư Hãn đã kết hợp nhiều nghệ thuật chiến tranh của Trung Hoa, đặc biệt là yếu tố vây hãm. Các trang bị mới bao gồm những công cụ vây thành như phiến gỗ nặng để công thành, thuốc súng, máy bắn đá, và một lượng lớn cung tên bao vây có khả năng bắn những mũi tên dài 20-foot (6 mét). Ngoài ra, mạng lưới tình báo của Mông Cổ cũng rất tốt. Người Mông Cổ không bao giờ xâm lược một đối thủ mà kinh tế và quân đội có khả năng chống trả, mà không do thám cẩn thận và triệt để từ trước. Ví dụ, các hãn Tốc Bất Đài (Subutai) và Bạt Đô (Batu Khan) đã mất một năm tiến hành do thám vùng Trung Âu, trước khi tiêu diệt quân đội của Hungary và Ba Lan trong các trận chiến riêng biệt chỉ cách nhau 2 ngày.[10]

Cũng có nhiều tranh cãi về số lượng quân của Thành Cát Tư Hãn, một đội quân nhỏ khoảng 90.000 lính hoặc một đội quân lớn với 250.000 lính, và Thành Cát Tư Hãn cũng mang theo mình những tướng lĩnh có khả năng nhất để giúp đỡ ông. Ông cũng mang một lượng lớn người ngoại tộc, chủ yếu là người Hán. Những người này sẽ là các chuyên gia bao vây, xây cầu, cứu thương và là các binh sĩ chuyên biệt.

Trong cuộc xâm lược Transoxiana năm 1219, cùng với quân chủ lực Mông Cổ, Thành Cát Tư Hãn cũng sử dụng các máy bắn đá của người Trung Hoa trong trận chiến; chúng được sử dụng trở lại vào năm 1220 ở Transoxiana. Người Hán có thể dùng máy bắn đá để ném những quả bom thuốc súng, vì họ đã có chúng (thuốc súng) từ trước đó.[11] Trong khi Thành Cát Tư Hãn chinh phục Transoxiana và Ba Tư, nhiều người Trung Hoa vốn quen với thuốc súng cũng phục vụ trong quân đội của ông.[12] Các sử gia cho rằng cuộc xâm lược của Mông Cổ đã mang các vũ khí thuốc súng Trung Hoa tới Trung Á. Một trong số chúng là hỏa pháo, một loại súng cối Trung Hoa.[13]

Trong cuộc xâm lược này, đầu tiên Hãn triển khai việc tấn công gián tiếp mà sau này trở thành một đặc trưng trong các chiến dịch của ông, cũng như của con cháu ông. Hãn chia quân đội của mình ra, và phái một lực lượng chỉ để tìm và diệt Shah - đến nỗi mà một người cai trị một Đế quốc rộng lớn bằng Đế quốc của Hãn, với một lực lượng quân đội lớn, phải liên tục chạy trốn trong chính đế quốc của mình.[5] Các lực lượng Mông Cổ phân chia đó đã tiêu diệt từng phần quân của Shah, và bắt đầu tiến hành sự hủy diệt tàn bạo cũng như đối với các vùng đất khác trong những cuộc xâm lược sau này.

Quân đội của Shah, khoảng 400.000 người, bị phân tán ra nhiều thành phố chính. Shah sợ rằng quân của ông nếu được tổ chức thành một đơn vị lớn dưới sự chỉ đạo của một người (hoặc một cấu trúc chỉ đạo), có thể lại quay ra chống lại ông. Ngoài ra, các báo cáo mà Shah có từ Trung Hoa chỉ ra rằng người Mông Cổ không giỏi trong việc vây thành, và thường gặp những vấn đề khi cố gắng bao vây một thành trì kiên cố nào đó. Quyết định triển khai quân đội của shah như vậy sau này được chứng tỏ là một sai lầm tai hại khi chiến dịch tiến triển.

Mặc dù mệt mỏi sau cuộc hành quân, người Mông Cổ vẫn thắng trận đầu tiên. Một đội quân Mông Cổ, do Truật Xích (Jochi) chỉ huy, khoảng từ 25.000 đến 30.000 người, đã tấn công quân của Shah ở nam Khwarezmia và ngăn không cho đội quân này đẩy lui quân Mông Cổ vào sâu trong núi.[14] Lực lượng chính của quân Mông Cổ, do Thành Cát Tư Hãn chỉ huy, tiến tới thành phố Otrar vào mùa thu năm 1219. Sau khi vây Otrar trong 5 tháng, quân của Hãn đã đột kích một cổng không được bảo vệ và tàn phá phần chính của thành phố.[14]

Sau đó một tháng, pháo đài của Otrar thất thủ. Inalchuq cố thủ đến giờ phút cuối cùng, thậm chí ông còn trèo lên đỉnh của pháo đài vào giờ phút cuối và ném đá vào quân Mông Cổ đang tiến vào. Thành Cát Tư Hãn giết rất nhiều người dân trong thành, số còn lại bị bắt làm nô lệ, Inalchuq bị xử tử và có thể ông ta đã bị người Mông Cổ dùng vàng hay bạc nóng chảy rót vào họng để trả thù việc đoàn lạc đà của họ bị bắt.