蒙古大军主力很快来到塔里寒山脚下。成吉思汗见此山山高林密，即令全军在两里开外安营扎寨、进行休整。又派哨探前去打探敌军军情。
花剌子模重兵器车虽然隐蔽的很好，但毕竟因为体积庞大、数量众多，很快被蒙古哨探发现端倪。
哨探向成吉思汗作了禀报。成吉思汗随即命令全军将营寨移至三里之外，然后到附近挖掘油井、搬运石头，准备对塔里寒山进行强攻。
次日凌晨，蒙古大军开始推送重兵器车缓缓逼进塔里寒山。当行至两里处时，成吉思汗开始命令放弩车向塔里寒山脚下发射火箭。阿勒巴儿汗见此情景，也赶紧命令花剌子模重兵器车兵通过放火箭、抛石块的方式反击蒙古大军。
战斗持续了一天，双方各有少量伤亡。花剌子模重兵器车虽然隐蔽较好，但是蒙古火箭引燃了旁边的枯树，也烧毁了一些花剌子模重兵器车、烧死了一些花剌子模士兵。
蒙古重兵器车兵虽然有铁甲战车作掩护，但因花剌子模重兵器车攻势太猛，也造成一些蒙古重兵器车被摧毁、一些蒙古士兵伤亡。
成吉思汗知道此时花剌子模大军也制造了大量的重兵器车，于是一边命令重兵器车继续攻击，一边让耶律楚才带领后勤步兵到附近挖掘油井、提炼石油。
这样持续攻击了一月有余，因为花剌子模重兵器车没有蒙古重兵器车质量好，造成很多重兵器车被摧毁，而且石油也已耗尽，就连石块都找不到了。花剌子模重兵器车兵实在坚持不住，阿勒巴儿汗赶紧向扎兰丁作了禀报。其实扎兰丁早已派步兵到塔里寒山以南挖掘石油，可惜塔里寒山以南油井并不多，能挖的都挖了。扎兰丁赶紧召集军事会议商议如何应对蒙古大军的进攻。
扎木合说，如果再这样下去对我军十分不利，只有主动进攻，或许有取胜的可能。
扎兰丁默默的点点头说，看来只有如此了。
五月初五凌晨，扎兰丁命令重兵器车兵将放弩车从掩体后面推运出来，疯狂朝蒙古大军阵地发射长箭。
成吉思汗收到前方哨探的禀报，意识到花剌子模大军要发起总攻了，于是一边命令重兵器车全力反击，一边命令铁木格让蒙古骑兵做好冲锋准备。
果然一个时辰后，两万花剌子模骑兵在扎兰丁、扎木合等人的指挥下，向蒙古大军阵地发起进攻。但是蒙古大军早有准备，铁木格迅速率领四万蒙古骑兵围了上去，两军在塔里寒山脚下的平原上展开一场骑兵大战。
但是花剌子模骑兵毕竟战斗力不如蒙古骑兵，数量也仅是其的一半，所以很快败下阵来。扎兰丁只得指挥花剌子模骑兵后撤。并传令重兵器车兵挡住蒙古骑兵。
不过蒙古骑兵行军很快，花剌子模重兵器车兵还没有等到花剌子模骑兵完全撤到山里，蒙古骑兵就追了上来。
蒙古骑兵斩杀了很多花剌子模重兵器车兵、摧毁了很多花剌子模重兵器车，然后继续往塔里寒山上冲，又斩杀了很多花剌子模骑兵。眼看就要擒获扎兰丁时，隐藏在大树、巨石后面的花剌子模步兵，在帖木儿蔑里的指挥下，向蒙古骑兵放箭，这才把蒙古骑兵的凌厉攻势压了下去，很多蒙古骑兵被射落马下，铁木格右胸也中了一箭。
当天的战斗，花剌子模大军损失了大量的重兵器车，两万重兵器车兵也几乎全军覆没，两万骑兵剩下不到五千人。蒙古大军也损失了蒙古骑兵两千余人及少数重兵器车。