Mùa thu năm 1218, ngoài những cánh quân đang giao chiến với nước Kim và lực lượng quân phòng thủ trên thảo nguyên, Thành Cát Tư Hãn gần như đã dốc hết binh lực cả nước, thân chinh dẫn 20 vạn đại quân viễn chinh, tiến đánh Hoa Lạt Tử Mô (còn gọi là Khwarizm). 

Ban đầu, Hoa Lạt Tử Mô đóng đô ở Ngọc Long Kiệt Xích (tức Urganch), về sau dời đô đến Tát Mã Nhĩ Hãn (tức Samarkand), họ có tới bốn mươi vạn quân.

Khi Thành Cát Tư Hãn xuất binh, quân số của ông chỉ có 20 vạn. Nhưng trên đường đại quân tiến về phía tây, các nước thuộc quốc đều phái binh trợ chiến. Đến khi tiến tới biên giới của Hoa Lạt Tử Mô, thời gian đã sang mùa thu năm sau, tức năm 1219, binh lực của Mông Cổ đã tăng lên đến 60 vạn quân. Đại quân cứ tiến về phía tây, đến dưới thành Ngoa Đáp Lạt — trong Tân Nguyên sử gọi là thành Ngoa Lạt Thoát Nhi. Chính tại nơi này năm xưa, những thương nhân Duy Ngô Nhĩ từng bị sát hại.

Hoa Lạt Tử Mô lựa chọn thế phòng thủ, dùng kế “dĩ dật đãi lao”, lấy quân nhàn đợi quân mệt. Thành Cát Tư Hãn thấy việc công thành không thuận lợi, bèn chia đại quân làm bốn đường. Người Mông Cổ khi tác chiến thường không đơn thuần là đánh thẳng vào thành từ một hướng, mà họ sẽ chia quân nhiều đường, quanh co tiến đánh, lấy cơ động làm phép dụng binh.

Sát Hợp Đài và Oa Khoát Đài tiếp tục vây đánh thành Ngoa Đáp Lạt. Sau nửa năm khổ chiến, cuối cùng họ cũng công hạ được tòa thành này. Thành Cát Tư Hãn cùng con trai út là Đà Lôi tiếp tục tiến quân về phía tây, liên tiếp công phá nhiều thành trì, sau cùng kéo đến dưới thành Tát Mã Nhĩ Hãn (tức Samarkand) — cố đô của Uzbekistan.

Lúc ấy đã là tháng 5 năm 1220. Ba lộ đại quân còn lại cũng đều giành được thắng lợi, rồi từ các hướng khác nhau, họ cùng hội sư dưới thành Tát Mã Nhĩ Hãn. Trong Tân Nguyên sử, thời gian công thành không có ghi chép xác thực, nhưng xét theo những ghi chép tiếp theo, có lẽ chỉ diễn ra trong khoảng 1 đến 2 tháng. 

Khi ấy, quốc vương Hoa Lạt Tử Mô là A Lạt Đinh không còn ở trong thành Tát Mã Nhĩ Hãn. Ông thấy tình thế bất ổn nên đã sớm bỏ thành mà chạy, đến sông Amu Darya, rồi lại chạy sang Khorasan thuộc Ba Tư, rồi lại tiếp tục chạy về phía tây đến Baghdad, sau đó lại quay đầu chạy lên phía bắc, tới vùng biển Caspi. Đại quân Mông Cổ cứ bám riết phía sau, quyết tâm truy đuổi đến cùng.

Thực ra, quốc vương A Lạt Đinh vốn không phải kẻ hèn nhát, cũng không phải kẻ yếu. Sở dĩ Hoa Lạt Tử Mô có được sự cường thịnh và quy mô hùng mạnh như lúc bấy giờ, chính là nhờ tài kinh lược và công lao chinh chiến của A Lạt Đinh, ông đã xây dựng được một vương quốc hùng mạnh. Nhưng đáng tiếc, A Lạt Đinh đã chọn nhầm đối thủ, người mà ông đương đầu lại là Thành Cát Tư Hãn.

A Lạt Đinh cảm khái rằng cả đời mình công thành chiếm đất, đã đánh diệt biết bao quốc gia, vậy mà đến cuối cùng, ngay cả một chốn dung thân cũng không còn. Sau cùng, ông chạy đến một hòn đảo nhỏ trên biển Caspi, trong lòng ưu uất, ông lâm bệnh nặng rồi qua đời. Bấy giờ là tháng 12 năm 1220. Thành Cát Tư Hãn biết A Lạt Đinh đã chết, thì bắt đầu rút quân.

A Lạt Đinh có một người con trai rất có tài, tên là Trát Lan Đinh. Sau khi phụ thân qua đời, Trát Lan Đinh trở về Ngọc Long Kiệt Xích, mưu đồ khôi phục quốc gia. Tòa thành này là kinh đô sớm nhất của Hoa Lạt Tử Mô, thành trì rất kiên cố, dân cư đông đúc. Thành Cát Tư Hãn nghe được tin ấy, liền sai quân tiến đánh, ông phái các tướng lĩnh cầm quân đầy tài năng như: Truật Xích, Sát Hợp Đài và Oa Khoát Đài. Sau 7 tháng tiến công trong gian khổ, quân Mông Cổ cuối cùng cũng công hạ tòa thành này.

Khi thành trì thất thủ, quân Mông Cổ lập tức tiến hành đại đồ sát. Có người cho rằng số người bị giết lên đến hơn một triệu. Thế nhưng con số đó có phần phóng đại, bởi vì dân số Đông Kinh Biện Lương của Bắc Tống cũng cũng chỉ hơn một triệu người. Nhưng khi ấy, rất có thể quân Mông Cổ đã giết khoảng mấy chục vạn người.

Thành bị phá, nhưng Trát Lan Đinh đã sớm bỏ chạy, liên tục chạy trốn, một đường lưu vong đến thành Chazni. Địa phương này nằm gần thủ đô Kabul của Afghanistan ngày nay. Thành Cát Tư Hãn hội quân của Sát Hợp Đài và Oa Khoát Đài, rồi cùng Đà Lôi tiếp tục truy kích Trát Lan Đinh.

Sau khi đại quân vượt qua dãy Hindu Kush, họ tiến đánh một tòa thành tên là Ba Mạn. Trong Tân Nguyên sử, nơi này được gọi là thành Bát Mễ Yêm. Tại đây, người cháu nội mà Thành Cát Tư Hãn yêu quý nhất là Mạc A Đồ Kham đã trúng tên lạc mà chết. Thành Cát Tư Hãn vô cùng phẫn nộ. Sau khi công hạ thành trì, ông ra lệnh đồ thành: không chỉ tàn sát dân chúng, mà giết đến cả chó gà không tha. Rồi sau đó, Thành Cát Tư Hãn tiếp tục bám theo, truy kích Trát Lan Đinh.

Quân tiên phong của Mông Cổ do Hốt Đô Hổ thống lĩnh, nhưng kết quả lại bị Trát Lan Đinh đánh bại. Tuy vậy, Trát Lan Đinh hiểu rõ đại quân Mông Cổ thế như lũ quét, không thể ngăn nổi, nên đã tiếp tục chạy về phía nam đến sông Ấn. Tại một vùng vách núi cheo leo, vực sâu hiểm trở, Trát Lan Đinh bị Thành Cát Tư Hãn bao vây.

Thành Cát Tư Hãn quý trọng Trát Lan Đinh là một bậc anh hùng, muốn bắt sống, nên ra lệnh trong quân không được bắn tên. Hai bên giao chiến kịch liệt. Trát Lan Đinh dẫn theo 700 người dũng mãnh phá vòng vây, rồi xông lên vách đá. Sau đó, ông cưỡi ngựa từ trên vách núi tung mình nhảy xuống, lao thẳng vào dòng sông Ấn, rồi bơi qua sông mà thoát thân. Thành Cát Tư Hãn trông thấy, ông lấy miệng cắn ngón tay, rồi bảo các hoàng tử rằng: “Phàm là tướng, đều nên như thế”. Mặc dù đối địch, nhưng ông cũng khâm phục khí độ dũng mãnh của Trát Lan Đinh.

Trát Lan Đinh cứ thế mà thoát đi. Lúc ấy đã sang mùa hè năm 1222, thời tiết vùng lưu vực sông Ấn quá nóng bức, mà người Mông Cổ đã quen với giá lạnh phương bắc, họ không thể thích ứng với cái nóng, vì vậy bèn rút quân trở về.

Tuy không bắt được Trát Lan Đinh, cũng không bắt được Hốt Đột – con trai của thủ lĩnh Thoát Hắc Thoát A thuộc bộ Miệt Nhi Khất, nhưng quân Mông Cổ đã chiếm hết toàn bộ đất đai của Tây Liêu và Hoa Lạt Tử Mô. Đây là một vùng đất rất rộng lớn. Trên đường trở về phương đông, Thành Cát Tư Hãn để lại một số quân Mông Cổ trấn thủ, đồng thời thiết lập quan viên địa phương để cai quản. Đến khi ông trở về Karakorum, thời gian đã là mùa xuân năm 1225.

Karakorum nằm ở sườn nam núi Hàng Ái, thuộc tỉnh Hậu Hàng Ái ở miền trung Mông Cổ ngày nay, cách thành phố Ô Lan Ba Thác (Ulaanbaatar) 365 cây số về phía tây nam. Đây chính là nơi Thành Cát Tư Hãn và Oa Khoát Đài Hãn đóng đô.

Trong cuộc tây chinh lần này của Thành Cát Tư Hãn, ngoài việc chiếm được Tây Liêu và Hoa Lạt Tử Mô, còn có một chiến sự trọng yếu khác: đó là cuộc chiến của Tốc Bất Đài và Triết Biệt chống lại người Khâm Sát và người Nga. Bởi sau khi Hốt Đột thua trận chiến bại, ông ta đã chạy đến nương nhờ bộ Khâm Sát. Vì thế, đạo quân của Triết Biệt đã vượt qua Thái Hòa lĩnh để tiến đánh Khâm Sát. Vùng đất này nằm ở nơi tiếp giáp giữa Tây Á và Đông Âu, cũng chính là khu vực biên giới giữa Nga, Gruzia và Armenia ngày nay. Khi ấy là năm 1222.

Phía tây bắc của Khâm Sát chính là Nga La Tư. Vào thế kỷ thứ IX, Nga La Tư từng có một thời thống nhất, định đô ở Kyiv, tức là thủ đô của Ukraine ngày nay. Về sau, đến thế kỷ XI, Nga La Tư lại rơi vào phân liệt, trong đó có một bộ tộc có quan hệ hôn nhân với Khâm Sát.

Khi ấy, Khâm Sát liên hợp với một số bộ tộc khác để chống lại Mông Cổ, nhưng kết quả là bị Triết Biệt và Tốc Bất Đài đánh cho đại bại. Bên phía Mông Cổ, Truật Xích lại phái quân đến chi viện, Khâm Sát không còn cách nào khác, đành cầu cứu Nga La Tư.

Năm 1223, liên quân các bộ Nga La Tư giao chiến ác liệt với quân Mông Cổ ở gần sông Đông. Cuối cùng liên quân Nga La Tư thảm bại, sáu vị quốc vương tử trận, binh sĩ chết trận đến tám, chín phần mười. Từ đó, quân Mông Cổ thừa thế đánh chiếm vùng bán đảo Crimea ở miền nam Ukraine.

Sau khi trở về Mông Cổ, Thành Cát Tư Hãn đem cương vực trong thiên hạ phân phong cho bốn người con trai do đại phi Bột Nhi Thiếp sinh ra. Lúc bấy giờ, con trưởng Truật Xích đã qua đời. Thành Cát Tư Hãn đem đất Hoa Lạt Tử Mô và vùng Khâm Sát phong cho con trai của Truật Xích là Bạt Đô; đem đất Tây Liêu phong cho con thứ là Sát Hợp Đài; vùng đất cũ của Nãi Man được phong cho Oa Khoát Đài.

Theo phong tục của người Mông Cổ, nghĩa là người con út phải ở lại giữ bếp, giữ căn cơ tổ nghiệp, Thành Cát Tư Hãn đem bản bộ Mông Cổ phong cho con út là Đà Lôi. Sau đó, ông dẫn Đà Lôi trở về Cáp Lạp Hòa Lâm. Đây chính là hình thái sơ khai của bốn đại Hãn quốc Mông Cổ về sau.