战斗又持续到黄昏时分，成吉思汗见还是无法拿下撒马尔罕，于是鸣金收兵，回营休整。
九月初三凌晨，成吉思汗即下令全军发起总攻。蒙古步兵在蒙古骑兵掩护下，开始使用攻城云梯攻城。这时阿勒巴儿汗也命令全军在城墙里面架起铁锅煮火油。
当蒙古步兵马上攻上城墙时，撒马尔罕守军把煮的滚烫的火油往蒙古步兵身上浇。很多蒙古步兵被火油烫死烫伤，从攻城云梯上摔了下去。
阿勒巴儿汗又指挥撒马尔罕守军把数以万计的火把扔到城下。城下燃起滚滚大火，无数蒙古步兵被烧的鬼哭狼嚎而死，很多攻城云梯也被烧毁。
成吉思汗惊讶不已，一时想不出应对办法，又怕蒙古步兵伤亡惨重，于是命令全军撤退。
阿勒巴儿汗见此情景，大喜过望，他禀报在城墙上观战的秃儿干丞相和兀思剌黑王储说，丞相、王储，蒙古大军全军溃败，臣愿率十万人马和大象战队出战蒙古大军，请与恩准。
秃儿干说，将军只管去，本相会率领三十万预备军继续固守城池的。
此时已是午时，阿勒巴儿汗命人打开北门，首先命令大象战队出城打头阵，接着率领新组建十万步兵也紧随其后迎战蒙古大军。
可当大象战队刚出城时，哨探即禀报给成吉思汗，成吉思汗马上布置抛石车和火炮，当大象战队冲到蒙古大军营地半里处时，成吉思汗命令，放炮！
无数枚火炮被抛向大象战队，有些落在大象身上，有些落在大象身边，发出震耳欲聋的响声，大象受到惊吓，又往回跑，又踩死不少撒马尔罕守军。