当两万蒙古步兵翻入城墙后，阿黑剌黑也指挥二十几万花剌子模士兵包围上来，两军开始激烈战斗。
因为花剌子模士兵是蒙古攻城步兵的十余倍，一个时辰后，蒙古攻城步兵渐渐不敌花剌子模士兵。
成吉思汗见此情景，随即命令蒙古骑兵上马，通过攻城云梯进入城墙内，和攻城步兵一起攻杀花剌子模士兵。
花剌子模士兵虽然人数众多，但大部分是刚征集而来，战斗力弱。很快就不敌蒙古骑兵的猛烈进攻，纷纷往城墙下面跑。蒙古骑兵遵照成吉思汗命令，为防止敌军埋伏，也不追高，而只是剿杀城墙上的花剌子模残军，然后全面占领城墙。
成吉思汗这时也通过攻城云梯进入城墙，此时天色已晚，城内一片寂静，就像空城一样，城内守军和百姓一样，都躲在家里不敢出来。
成吉思汗命令士兵搬走堆放在城门的巨石，让重兵器车兵把放弩车和抛石车搬运至城墙上。同时命令后勤步兵封锁哥疾宁城四道城门。
随着成吉思汗一声令下，蒙古放弩车开始攻击哥疾宁城城内房屋。成千上万支火箭射入城内，不到一个时辰，整个哥疾宁城便成一片火海。成吉思汗又命令抛石车攻击城内，无数块石头像雨点一样落在城内房屋上，那些正在燃烧的房屋很轻易的被砸毁了。
城内守军和百姓只得通过四道城门往外逃跑，站在城墙上的蒙古骑兵就开始朝着人群放箭，很多人都被射死了。少数人好不容易打开城门，跑出城来，那些躲在铁甲战车后面的蒙古后勤步兵也朝他们放箭，他们只好又退回城内。
整整一个晚上，蒙古大军轮番进攻、轮流休息，花剌子模士兵和城内百姓死伤无数。