次日凌晨，成吉思汗指挥重兵器车兵通过放火箭、抛石块的方式攻击古儿疾汪城城墙，虽然此时的蒙古重兵器车也不足千辆，但攻击势头依然猛烈，帖木儿蔑里赶紧指挥守军躲在防御工事下面。
一个时辰后，成吉思汗见城墙上已无守军，便指挥重兵器车兵将攻城云梯推送至城墙下面。此时蒙古大军已无攻城步兵，成吉思汗只得命令蒙古骑兵下马就步，攻打城墙。
蒙古骑兵高举马刀、盾牌，通过攻城云梯进入城墙。但是一入城墙，帖木儿蔑里便指挥守军冲上来，与蒙古骑兵英勇搏斗。四万蒙古骑兵和四万花剌子模步兵在古儿疾汪城墙上进行了一场血腥的刀盾战。
整个战斗持续了一天一夜，最终花剌子模士兵不敌蒙古骑兵，纷纷被蒙古骑兵杀死。最后蒙古骑兵以阵亡将近一万的代价，杀死四万余花剌子模士兵。贴木儿蔑里仅带十余名亲兵侍卫从城南小门逃脱。
战后成吉思汗登上城墙，视察了整个战场，看见成片成片的蒙古骑兵倒在地上，悲痛不已，十分懊悔让蒙古骑兵进行攻城战。
成吉思汗下令后勤步兵将上百桶石油倒入城内，点燃大火，将整个古儿疾汪城变成一片火海。成吉思汗率领所有蒙古大军朝着古儿疾汪城三叩九拜，以祭奠阵亡将士在天之灵。
随后蒙古大军就在古儿疾汪城周围安营扎寨，一边进行休整，一边等待援军到来。十余日后，镇海亲自带领新征集的一万攻城步兵开到古儿疾汪城。成吉思汗即率领大军主力继续南下。