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掏取中亚心脏呼罗珊
1220年晚秋，攻破撒马尔罕后经过休整的蒙古军对花剌子模展开新的攻势，术赤、察合台、窝阔台军分道进取玉龙杰赤，成吉思汗和拖雷分兵攻取河中及呼罗珊地区。
这年秋冬之际，成吉思汗率主力军进向今乌兹别克斯坦卡尔希、萨赫里萨布兹，通过古代中亚南北交通的关隘铁门关(今乌兹别克斯坦杰尔宾特西13千米的布兹加勒山口)，进攻阿姆河中流北岸重镇忒耳迷(今乌兹别克斯坦铁尔梅兹)。蒙古军在忒耳迷城下谕降不成，激战11日攻破，全城军民被驱赶至郊外全部杀死。在此，成吉思汗将大部分主力军交付拖雷去征讨呼罗珊地区，自己带领其余兵力攻占了罕忽儿忒(今塔吉克斯坦康古尔特)及巴大哈伤地区(今阿富汗巴达赫尚省、塔哈尔省)，将河中地带全部占领。随后，成吉思汗军渡阿姆河进至巴里黑(今阿富汗巴尔赫)，城民派使节献重币迎降。成吉思汗认为留下此城必有后患，将城民驱赶出城分配给各军全部杀死，巴里黑被夷为平地。
1221年初，拖雷率军7万从塔里寒 (今阿富汗塔洛甘)出兵进攻呼罗珊地区。呼罗珊位于阿姆河以西、伊朗科贝扎特山脉以东，南至阿富汗赫尔曼德河、北至土库曼斯坦卡拉库姆沙漠，人烟稠密，农业、商业发达。哲别、速不台军在追歼 花剌子模国王阿剌丁时横扫过这一地区，但并未大规模地破坏城镇。拖雷军分中、左、右三路，在忒耳迷渡阿姆河后进入呼罗珊，连克数镇，兵锋直向马鲁(废址在今土库曼斯坦马雷东南)。成吉思汗诸子中，拖雷敏锐机智、勇猛善战，志费尼在《世界征服者史》对其评价道：“论他的严酷，像猛烈若火的雪刃，为其刃风所及者，无不化为灰烬；而论其骑射，他又像云幕后射出的闪电，把击中之地变作焦土，不留一丝形迹，不作片刻延缓。”
1221年2月，拖雷的7000骑先锋军进抵马鲁。先锋军前面的400骑侦察队发现12000名突厥骑兵在马鲁城外营地驻防，常在黎明时进出马鲁城。蒙古侦骑在突厥骑兵必经之路设伏袭扰，先锋军乘机对突厥兵营发起突袭，大败突厥骑兵。2月5日，拖雷率军包围了马鲁城，他带500骑兵用6天时间调查城防情况，第7天展开进攻。马鲁守军曾多次出击，均被蒙古军击退，伤亡很大。战斗中，拖雷跳下战马，高举盾牌、挥刀怒吼，冲在最前边，蒙古军士见状，纷纷向前冲杀 (蒙古军作战时主帅一般在中军之后指挥)。马鲁守将眼见抵挡不住，只得请求投降。2月25日蒙古军入城，将全城军民驱出城外，除400名工匠和一部分儿童外，其余城民不分男女老幼全部惨遭屠杀，据统计，当时被杀的马鲁人有100多万。夷平马鲁城池后，拖雷军向呼罗珊首府你沙不儿(今伊朗内沙布尔)挺进。
1220年4月，花剌子模国王阿剌丁撤到你沙不儿时对军民说：蒙古军不会饶过你们，为了保存你们的生命和财产，不如现在赶快跑吧!但该城军民不愿意背井离乡，只好加强城防。到了5月，哲别、速不台军进抵你沙不儿时曾遣使招降，你沙不儿守将投降后给蒙古军供应了粮草。哲别、速不台军离去后，传闻说扎兰丁大胜蒙古军，于是呼罗珊等地叛乱四起。11月，成吉思汗改命他的女婿脱忽察儿的万人骑兵队为拖雷军先锋 (这支部队是追歼阿剌丁的第三梯队，因成军较晚已失去追歼作用)。脱忽察儿先锋军渡过阿姆河后绕过马鲁攻取纳撒 (今土库曼斯坦尼萨)等地，在围攻你沙 不儿不克的战斗中，脱忽察儿中箭身亡。于是，你沙不儿民众公开叛乱。他们加强守备，又指挥布置了3000具发弩机、500具发石机以及檑木、火油等守城战具严阵以待蒙古军。
1221年4月初，拖雷军兵临你沙不儿城下。蒙古军准备了弩炮3000具、发石机300具、投射火油机700具、攻城云梯4000架、炮石2500担，密布堆集城外，并挖掘地道多条。你沙不儿守城军民望见蒙古军攻具繁多、士兵亦众，失去了战斗的信心，提出纳贡请降。拖雷一者痛恨你沙不儿人反复无常，二者要为脱忽察儿报仇，拒不接受投降。4月7日，拖雷命蒙古军环城同时发起进攻，昼夜不停。9日，你沙不儿城的壕堑已被填平，城墙被攻破十几处，1万名蒙古兵从地道潜入城内隐蔽。随后，蒙古军发动总攻，从四面八方逾城而入，攻守双方展开激烈血战，街巷屋舍均成战场。成吉思汗之女带着脱忽察儿的那支万人骑兵队入城，人畜尽杀以报驸马阵亡之仇。10日，你沙不儿被攻破，蒙古军将城中军民赶出郊外，驱使他们15天内削平城池。战斗结束后，蒙古人留400名工匠随军服役，其余城民尽遭屠杀，又一座美丽的城市被夷为废墟。
攻克你沙不儿后，蒙古军分道平定呼罗珊境内各城镇村落，拖雷率主力军向你沙不儿东南的也里(今阿富汗赫拉特)进军。这年5月，拖雷军包围也里城。拖雷先礼后兵，派人招降。也里城长官杀死使者，勉励军民死守。蒙古军从四面八方发起攻城战，双方激战8天，也里城守将战死。此时，守城军民或战或降犹豫不定，拖雷再派人招降，保证城民投降后可以免死，于是也里城军民出城投降。蒙古军没有屠杀城民，但处死了该城官吏、守军 12000余人。1221年夏，拖雷率军前往塔里寒与成吉思汗军会师。
1221年初，成吉思汗军从巴里黑进取塔里寒山区，在讷思来忒城堡(今阿富汗东北部穆尔加布河上游哈兀儿马黑旧堡)下遇到顽强抵抗，围攻数月不克，直至拖雷军到后，驱赶“哈沙儿”队强攻破堡。其后，成吉思汗和拖雷在塔里寒山麓驻夏。
蒙古军惨败八鲁弯
1221年初，扎兰丁在其父死后即位花剌子模国王，他在其封地哥疾宁(今阿富汗加兹尼)奋力号召救国，得到当地军民的拥护，他的部下从四面八方汇集而来。突厥蛮将领阿黑剌黑率4万骑兵投至扎兰丁麾下，秃儿坚太后的侄子阿明灭里所部4万突厥·康里骑兵本来已经归附了蒙古人，此时也暗中投靠了扎兰丁。
当年春，成吉思汗闻知扎兰丁拥重兵盘踞哥疾宁地区，命失吉忽秃忽、帖客扯克率领3万士兵进军哥疾宁，牵制并进击扎兰丁的军队，保障拖雷军在呼罗珊地区的战事顺利进行。4月，扎兰丁率军从哥疾宁北进至八鲁弯(今阿富汗恰里卡尔东北)。成吉思汗闻讯后，立即命失吉忽秃忽进军可不里(今阿富汗喀布尔)地区，威胁扎兰丁的侧翼。
同年夏，失吉忽秃忽率军向可不里进军时，先派帖客扯克率军攻取八鲁弯北部的瓦里延堡(今阿富汗兴都库什山脉萨朗山口一带)。扎兰丁侦知蒙古军南来，立即将辎重留在八鲁弯，率兵进击在瓦里延的蒙古军。因众寡悬殊，蒙古军兵败，伤亡千余人，退过喀布尔河驻营坚守，扎兰丁军也退回八鲁弯。此时，阿明灭里部公开投奔扎兰丁而去。失吉忽秃忽率军星夜兼程追上叛军，准备次日天亮后发起进攻，不曾想阿明灭里军乘夜逃遁，黎明时分已经进入八鲁弯与扎兰丁军会合。
失吉忽秃忽军进至八鲁弯，与扎兰丁军对峙。扎兰丁在此已聚兵10余万众，他自率中军，以阿明灭里军为右 翼，阿黑剌黑军为左翼。战斗中两军；中杀各有胜负，激战终日后各自退守营寨。失吉忽秃忽命令士兵在备用马匹上捆绑假人，用以疑惑敌军。次日再战，花剌子模军以为蒙古军援兵赶到，纷纷议论退兵。扎兰丁坚持再战，命全军下马步战，发射箭矢阻止蒙古军的冲击。蒙古军出击阿黑剌黑左翼军，遭到凶猛回击。面对如雨倾盆般的齐射之箭，蒙古军攻势顿挫。扎兰丁见时机已到，令全军上马，吹响冲锋号角，花剌子模士兵气势大涨，两翼出击，奋勇反攻。失吉忽秃忽见敌军来势汹涌，抵抗不住，迅速指挥军队冲出敌阵。八鲁弯原野上溪涧纷错、遍布坑洞，蒙古战马多被绊倒，将工纷纷落马。蒙古军四面受敌，死伤无数，全军崩溃，士兵脱险逃归者无几。 八鲁弯会战是成吉思汗西征战争中仅有的一次败仗，也是花剌子模军取得的惟一重大胜利。会战失败的主要原因在于失吉忽秃忽临战指挥失误，中了扎兰丁的圈套。扎兰丁巧妙地利用早已选定好的有利地形，令骑兵下马步战。而蒙古军不习惯步战，从开战之初便陷于被动应战的局面，特别是战场上多有小河、水沟、洞穴，战马容易被绊倒，不适宜骑兵机动和冲锋，对蒙古军进攻和突围都造成极大的制约。此外，失吉忽秃忽缺乏警惕，疏忽了对降将阿明灭里的防范。更加错误的是当他追上阿明灭里的倒戈之军时，没有抓紧时机予以解决，使得八鲁弯会战中扎兰丁得以优势兵力压制蒙古军。
还是在1196年的时候，蒙古部同塔塔儿部有一场战斗，清点战利品时发现一个戴着金鼻圈、身穿貂皮织金肚兜的塔塔儿贵族儿童，成吉思汗的母亲将他收养为第六子，取名失吉忽秃忽。失吉忽秃忽长大后担任了蒙古汗国大法官，断事分明、决狱公正，给后人留下了一句名言：不要因为恐惧而招认!失吉忽秃忽在八鲁弯败归后没有受到惩罚，并非成吉思汗对其养弟偏爱有加。实际上，成吉思汗征战一生，从未以任何借口杀害或严惩他的将相与功臣。古今中外能有如此胸襟的帝王似乎不多!
事后，成吉思汗带察合台、窝阔台、拖雷和失吉忽秃忽诸将到八鲁弯战场巡视，听取了失吉忽秃忽的作战陈述。成吉思汗当场指出失吉忽秃忽在战场选择、进攻战术和队形部署上的严重错误，教育诸子及诸将牢牢汲取失败的教训。
悲壮的印度河之战
13世纪的波斯史学家拉施特在其名著《史集》中记载道：当八鲁弯战败的消息传来后，成吉思汗虽然十分痛心，却不动声色地说“失吉忽秃忽以前老是打胜仗，没有受过挫折；他受到这次挫折后就会谨慎起来，从中取得经验，获得活生生的作战知识。”接着，他立即着手组织军队，准备进击扎兰丁。此时，除扎兰丁拥兵据有的哥疾宁、可不里、八鲁弯地区外，花剌子模的其他领土基本上被蒙古军征服。哲别、速不台军在南高加索作战，术赤军在锡尔河以北的中亚草原逗留，其余各路蒙古军均向成吉思汗军靠拢。
1221年初秋，成吉思汗带领拖雷和失吉忽秃忽出征扎兰丁，自塔里寒南进，翻越兴都库什山脉，进围范延城(废址在今阿富汗巴米扬，面对着被塔利班炸毁的巴米扬大佛)。在攻占范延堡的战斗中，成吉思汗最喜爱的孙子——察合台之子莫图根中箭身亡。成吉思汗因痛失爱孙，陷城之后将城中的一切生物，从人到牲口全部杀光。
八鲁弯战役的胜利导致了扎兰丁抵抗联盟的解体。在分配战利品时，阿明灭里和阿黑剌黑为一匹阿拉伯种骏马相持不让，大打出手。阿明灭里自恃是扎兰丁的亲戚， 鞭打阿黑剌黑的头，扎兰丁却有所袒护。阿黑剌黑愤怒地率所部4万人马离去，同时可不里的民众也四处散去。于是扎兰丁的军力顿时减弱，士气受挫，只得退回哥疾宁，准备渡印度河退往忻都(即印度)地区。
1221年深秋，察合台、窝阔台率军从玉龙杰赤赶来会师。成吉思汗大军分兵两路昼夜兼程南下，进至哥疾宁时发现扎兰丁军已经出走，成吉思汗立即挥军昼夜急追。蒙古军前锋部队在距离印度河不远处追及并击溃扎兰丁军的殿后军。扎兰丁见蒙古大军迫近，急忙筹备船只，准备次日渡河。成吉思汗闻知后命令各军连夜疾追，在印度河畔包围了扎兰丁的部队。蒙古军的包围圈像一张半圆形的弓，印度河就像弓上的弦。当新的一天来临，太阳升起在东方时，扎兰丁发现自己已经身处水火之中。
11月20日拂晓，蒙古军发起攻击，与扎兰丁军在印度河岸边展开恶战，这是成吉思汗生平首次以绝对优势兵力出战。蒙古军如乌云密布，铺天盖地而来，击败扎兰丁的右翼军和左翼军，将中军团团围困。扎兰丁屡次突围不成，身边仅余700士卒，仍然奋战不已。成吉思汗要生擒扎兰丁，令诸军不许放箭。战至中午，扎兰丁换乘健马，大喝一声突奔至河畔，从数丈高的断崖上跃马跳下印度河。扎兰丁身着铠甲、肩挂盾牌、手擎军徽，凫水渡向印度河东岸，蒙古军万目共睹。将士们要下水追击，被成吉思汗制止。他立身河畔对诸子感叹道：“做父亲的真希望能有这样的儿子!他能从这个战场上勇敢地死里逃生，日后定能干出一番事业”。蒙古军放箭射杀泅渡印度河之花剌子模兵，又尽歼岸上残兵，扎兰丁全军被消灭。扎兰丁渡过印度河后陆续收集残部4000余人，进入印度德里地区。
1222年春，成吉思汗命八剌等将率军2万深入印度追击扎兰丁未果；又派窝阔台军顺印度河而下，对哥疾宁地区进行杀掠，征服阿富汗山地部肠成吉思汗军则溯印度河而上，避暑于八鲁弯。这年秋，成吉思汗回到河中地区，准备班师。1223年春，蒙古军东渡锡尔河，循来路缓缓退兵。1225年正月，西征军回到蒙古故土。
哲别、速不台军扫荡高加索南北
1220年春，成吉思汗命哲别、速不台追歼阿剌丁时，曾经对他们说：你们可以在3年内结束战事，从钦察草原回到我们的蒙古草原上来。哲别与速不台深领成吉思汗的用意，将阿剌丁驱赶到里海后继续实施战略侦察，袭掠波斯各地，先后攻取哈耳(今伊朗伊斯法罕省霍尔)、西模娘(今伊朗塞姆南)、剌夷(今伊朗德黑兰附近雷伊)、忽木(今伊朗中央省库姆市)、哈马丹(今伊朗哈马丹)、赞章 (今伊朗赞詹)，又回攻可疾云(今伊朗赞詹省加兹温)。其中，对剌夷、忽木、赞章、可疾云进行了“例行”的屠城。攻取可疾云时，蒙古军与城民发生白刃战，双方死亡多达5万人，当然，那些蒙古军阵亡者基本都是被驱赶来的俘虏。
年末，哲别、速不台引军北上，开始了对高加索山脉南北地区的进攻。他们首先进逼阿塞拜疆都城帖必力思(今伊朗大不里士)。阿塞拜疆国王月即伯年老无能，不敢对抗蒙古军，奉献厚币、衣食、马畜请和，于是蒙古军退出其国境，进入里海西岸水草丰美的穆甘平原，在那里度过了一个几十年不遇异常寒冷的冬天。
1221年初，哲别、速不台分兵一部进入格鲁吉亚。格鲁吉亚女王鲁速丹以为因天寒蒙古军不会出兵，于是分派使者去阿塞拜疆和者疾烈两国，约定在春天联合抗击蒙古军。但他们万没料到蒙古军不期而至。居住在格鲁吉亚的突厥 蛮人和曲儿忒人是经常受基督徒欺凌的伊斯兰教徒，他们听闻蒙古人来进攻，纷纷投入蒙古军欲乘机报仇。
2月，蒙古哲别、速不台军以突厥蛮、曲儿忒二部人马为前锋，一路烧杀劫掠，逼近格鲁吉亚都城第比利斯。格鲁吉亚军万人来拒，突厥蛮和曲儿忒两部力战失利，伤亡过重。随后，蒙古军发起进攻，大败格鲁吉亚军，斩杀过半。由于格鲁吉亚境内丛林茂密，行军困难，蒙古军退兵折返帖必力思，阿塞拜疆国王又以重币纳贡。
3月30日，哲别、速不台军回师向南攻克马剌黑(今伊朗东阿塞拜疆省马拉盖)，屠杀了城民，焚毁了城市。当蒙古军准备南下进攻哈里发统治下的阿拉伯伊拉克时，闻知哈马丹民众起义，杀死了蒙古长官，于是回军东向攻破哈马丹，焚城而去。
1221年秋，哲别、速不台军第三次进至帖必力思城下，阿塞拜疆国王逃往外地，蒙古军索银币后离去，北上进入阿儿兰境内，攻陷拜剌罕(今阿塞拜疆贝拉甘)，屠杀城民。而后，哲别、速不台军再犯格鲁吉亚境内，格鲁吉亚女王急忙从里海调回3万十字军保卫国土(这支军队原本是为罗马教皇组建的，当时准备前往巴勒斯坦参加欧洲十字军作战)。格鲁吉亚军与蒙古军在第比利斯以东的忽难相遇，爆发了著名的乔治亚之战。蒙古军分为两队，哲别以5000骑兵设伏，速不台领兵迎战佯败，诱敌进入伏击圈内。哲别军乘机发起突袭，蒙古将领扎那领兵攻击敌军右翼；马日古斯领兵攻击敌军左翼，打败了格鲁吉亚步兵。速不台军发起主攻，围歼了格鲁吉亚军的精锐骑兵。格鲁吉亚军3万多兵马损失过半，统兵将领伊万涅不敢再战，退兵防守第比利斯。哲别、速不台军原准备攻打第比利斯，考虑到格鲁吉亚境内山高林密，不利骑兵机动，于是奉成吉思汗之命转攻高加索山脉以北地区。 1222年初，哲别、速不台军由穆甘草原东进至设里汪(今阿塞拜疆东部)境内，破其首邑舍马哈(今阿塞拜疆首都巴库西北)，胁迫设里汪国王派遣10名贵族为向导，带领蒙古军取道里海西岸北上，通过天险打儿班山隘(亦称铁门关，相传为亚历山大大帝所建造，在今阿塞拜疆共和国境内)，凿石开道，翻越大高加索山，进入北高加索山地东部的捷列克河流域。
北高加索山地的阿兰人联合钦察人合兵阻击蒙古军。两军交战，胜负未决。阿兰人属于伊朗语族，信奉基督赦；钦察人属于突厥语族，其游牧地处于里海、黑海之北，东起乌拉尔河、西至顿河的辽阔草原上。哲别鉴于寡不敌众的形势，采取分化瓦解、各个击破的策略，派使者携带礼物会见钦察部首领迦迪延说：我们彼此都是同一部落(即突厥语族)的人，出自同一氏族，何必帮助异族阿兰人。让我们缔结互不侵犯的友好协定吧，我们把金帛给你们，你们把阿兰人留下。于是钦察人弃其同盟军撤走。蒙古军乘机进击，大破阿兰联军，北高加索山区诸部相继投降。
钦察军回到钦察草原后不久，蒙古军出其不意地发起对钦察人的攻击，将钦察各部一一击破，杀死他们许多人。哲别、速不台宣布：钦察地区是蒙古大汗长子术赤的封地，所有钦察人和该地的其他民族都是蒙古人的臣民，都要接受术赤的统治。钦察草原的11部游牧百姓仓皇西逃，蒙古军认为他们是不服管制而叛逃，跟踪追击渡过顿河，进入俄罗斯 (今乌克兰及俄罗斯和白俄罗斯的一部)南部地区，一直追逐到亚速海北岸以西。这年冬季，哲别、速不台的2万蒙古军在钦察草原驻冬。
卡尔卡河畔的血腥屠杀
9世纪中叶，东斯拉夫人建立了以基辅为中心的大公国——罗斯。10世纪，罗斯从东罗马帝国那里接受了基督教。 1169年，基辅公国解体，形成10多个独立的小公国，迁都至弗拉基米尔。13世 纪，各公国时分时合，互相争战。当时的罗斯国土不大，常常遭到南面钦察人的侵扰。南罗斯各公国的王公们为了避免遭受钦察人的侵袭和战胜其他公国，往往与钦察诸部联姻，以壮大自己的力量。钦察一部的首领迦迪延曾将女儿嫁给罗斯加里西亚王公密赤思老。哲别、速不台军攻击钦察部时，迦迪延逃向罗斯向其女婿求援。
加里西亚王公联络各公国王公在基辅商议抵抗蒙古军事宜，一些王公不来参加会议，参加会议的王公对此又尹论不休。基辅王公说：钦察人与我们虽然有世仇，但是大敌当前，救钦察就是救自己。如果把钦察人推向蒙古人，壮大了他们的力量，早晚我们将在罗斯的土地上迎接蒙古军。不如先发制人、主动进攻，将蒙古人挡在国门之外。于是诸王公勉强同意出兵，商定在钦察人的地面上与蒙古军开战，并请弗拉基米尔大公以兵相助。
哲别、速不台闻知钦察人与罗斯人联合备战时，派出10名使者到基辅会见各位王公，表示蒙古没有进犯罗斯的意图，只是讨伐钦察人，不要听信他们的挑拨。况且钦察人经常侵扰罗斯，不如与蒙古军合兵同伐钦察，共分果实。罗斯诸公不听，杀死蒙古使者。
1223年春夏之交，加里西亚公国、基辅公国、切尔尼科夫公国、沃伦公国及钦察部组成8万联军集结于第聂伯河下游准备迎战蒙古军。溃散各地的钦察人听说罗斯大军要痛击蒙古人，纷纷赶来参战。在众寡不敌的情形下，哲别、速不台一面向术赤求援，一面再派使者去见罗斯诸公，对他们说：你们听信钦察人的诡计，杀害使臣，集结军队向我们宣战。我们对天发誓说不侵犯你们，你们为什么还要这样做?请你们不要挑起战争!我们蒙古人是不怕打仗的，但是要把道理讲清楚。罗斯诸公无言以对，又觉得蒙古人不过如此，于是放回使臣转告蒙古将领，坚持要同蒙古军开战。
加里西亚王公自信可以战胜蒙古军，不与基辅等诸王公相约，独自率所部万骑从奥连什耶城郊东渡第聂伯河，在今乌克兰亚历山德罗夫附近与蒙古军相遇，立即展开战斗。加里西亚王公的军队迅速击溃了佯败的蒙古前锋军，俘获受伤落马的蒙古军前锋将领，交给钦察人杀害。罗斯·钦察联军随即渡河，蒙古军示敌以弱，全军东撤诱敌。罗斯·钦察联军追逐蒙古军12天，抵达卡尔卡河(今乌克兰顿涅茨克州卡利米乌斯河)时，发现蒙古军已经严阵以待。此时，术赤派来的援军也赶到战场，蒙古军与罗斯·钦察联军隔河对峙。联军分为南北两部屯兵，南路联军以基辅军、切尔尼科夫军组成，北路联军由加里西亚军、沃伦军、钦察军组成。加里西亚王公因击败过蒙古先锋军，急于一举消灭蒙古军而独得战功，于是轻敌冒进，指挥北路军先行渡河。
5月31日，3万蒙古军与8万罗斯·钦察联军在卡尔卡河展开大战，哲别派出6000骑兵佯攻北路联军，进攻不果、佯败而去，罗斯—钦察联军士气大振，准备乘胜追击。一些罗斯老将提出要慎重出击，待判明敌情后再发动进攻，但遭到少壮派王公的反对。此时，蒙古军将领通 过侦察已经掌握了联军兵力的部署情况，哲别一声令下，全军掉转马头向联军冲来。哲别命右翼军首先猛攻钦察军，意图切断北路联军的退路。关键时刻，钦察人一见蒙古人先自胆寒，丢盔弃甲、慌乱溃退，冲乱了加里西亚军的战斗队形。蒙古军乘机发起左翼和中路的全线冲锋，联军北路军由于阵形混乱而大败。在蒙古骑兵的强力冲击下，联军溃不成军，一路节节败退、拼死抵抗。加里西亚王公和沃伦王公抛弃他们的将士，乘舟逃回第聂伯河对岸，并将舟船全部烧毁以防止蒙古军追击。结果，从卡尔卡河畔到第聂伯河东岸，罗斯北路联军遭到蒙古军7天的肆意戕杀，几至全军覆没。
临战前，基辅王公同加里西亚王公发生了尹执。因此，罗斯南路军扎营于卡尔卡河西岸的高地上，坐视友军战败而按兵不动。蒙古军击破北路联军后乘胜挥师渡河，哲别军追击加里西亚军而去，速不台军则进围南路联军。罗斯南路军腹背受兵，仓猝抵抗3天后，基辅王公乞降，要求让他和士兵回家，蒙古人答应了他的要求。但是在他们放下武器后，蒙古军却将基辅王公及其军队全部杀死。那些王公之死享受的是蒙古人处决王室成员的待遇——不流血的死亡，基辅王公和另外两名王公被压在大木板下，蒙古人在其上举行酒宴欢庆胜利。
卡尔卡河会战中，罗斯·钦察联军损兵7万，6名王公战死、3名王公被处死、 70名贵族阵亡。弗拉基米尔王公领兵来援途中，得知联军战败的消息，急忙退走。蒙古军乘胜长驱直入进至黑海北岸，蹂躏罗斯南部地区，一直攻到克里木半岛南岸的速答黑城。
1223年终，哲别、速不台率军从钦察草原凯旋东归。饱掠回师的蒙古军途径伏尔加河中游时，不里阿耳人组织军队抵抗，哲别、速不台以伏击战一举全歼不里阿耳军。随后，蒙古军沿伏尔加河顺流而下，降服里海滨海地区的撒克辛人和咸海以北的康里部。
1224年，速不台奉成吉思汗之命率军东返蒙古。哲别奉命留驻钦察草原，不久病故。哲别、速不台军对高加索地区及南部罗斯的进攻是成吉思汗实施的战略侦察行动，成为日后拔都西征欧洲的前奏。这两位当时蒙古汗国最优秀的将领带领2万余骑兵追击阿剌丁、扫荡高加索南北、破罗斯·钦察联军，转战3年，行程8000千米，征服14国，破城30余，歼敌近17万，以极小的代价取得了辉煌的战果。
从1219年至1225年，蒙古与花剌子模的战争历时7年(一半时间用于行军及修整)，成吉思汗及其诸子、诸将率领的蒙古军铁骑踏迹万里，西越顿河下游、北至伏尔加河中游、南跨印度河上游，基本征服了西域强国花剌子模，将其领土归入蒙古版图。成吉思汗东返蒙古后，将西征扩张所得的土地第三次分封诸子：从今哈萨克斯坦塔尔迪库尔干地区至里海西方和北方，凡蒙古马蹄所及之地赐予术赤；从新疆畏兀儿地界西至撒麻耳干、不花剌的锡儿河流域地方封予察合台；将新疆额敏河流域的土地封给窝阔台；将蒙古本土留给拖雷。
成吉思汗创建的蒙古军作战野蛮残酷，破坏性极大。西征战争大规模屠杀敌军和平民、毁灭城镇田舍，给被征服地区的民众带来巨大的灾难。但另一方面，西征也在客观上促进了东西方文明的交流，以及战乱后的和平。格鲁塞在《草原帝国》中引用阿不合乞的一句话说：“在成吉思汗统治下，所有在伊朗与突厥斯坦之间的地区是那样的平静，以至于人们能够头顶黄金一盘而从大地东端走到西端，他不会受到任何人的一小点暴力。”