通往西方的交通路线既已安全，成吉思汗随即沿额尔齐斯河集结起一支庞大的军队。由蒙古正规兵和从属国征集的大批附属部队组成的大军于1219年夏天向花剌子模进发。主力军在成吉思汗的率领下向锡尔河南部敌人的人口中心区进发。而另一支掩护部队则在术赤的率领下进入锡尔河北面的草原地带，在那里与那些和花剌子模统治家族关系非常密切的游牧部落钦察和康里交战。摩诃末与他的将领们的建议相反，并没有与入侵者在开阔地带交战，而是用他数量上胜过蒙古人的军队去守卫王国的各重要城市。虽然这些决定或许葬送了他获胜的任何机会，但还是迫使蒙古人陷入了一系列费时的和破坏性的围城战。讹答剌、花剌子模、也里和撒麻耳干的陷落都是特别的流血事件。在那儿，蒙古人驱使解除武装的战俘冲向严密防守的城墙，为他们的攻击部队提供“人障”。而且，一些曾被攻陷的城市起来反抗他们的新主人并被重新征服后，又扩大了屠杀的范围。在这些城市中，野蛮的报复行为正式以集体处决的方式降临于人们身上。当摩诃末得知他的战略失败后，惊慌失措地逃到了里海中的一个岛屿上，他于1221年前后死在那里。他的儿子与继承人札兰丁用他所支配的少量军队继续进行不懈的抵抗。为了追赶强有力与劲头十足的札兰丁，一支蒙古分遣部队追踪他，从伊朗北部穿过阿富汗斯坦进入了印度，然后又回到伊朗和哲儿拜占。虽然在蒙古人的打击下，札兰丁总是能设法逃脱追捕，但是英勇顽强并不能长久地拖延花剌子模国的灭亡。到1223年，突厥斯坦和呼罗珊已被征服，蒙古守军和镇守者（达鲁花赤）被安排在所有的城市。尽管札兰丁的事业已毫无希望，但他拒绝投降，仍继续他徒劳无益的抗战，直到1231年他死于曲儿忒匪徒之手。
随着花剌子模境内有组织的抵抗结束，蒙古人开始着手准备他们下一步的一系列远征。速不台和哲别这时正在与谷儿只和哲儿拜占作战，他们请求允许他们越过高加索山去进攻钦察人，成吉思汗立即答应了。这样，在1221年，速不台发动了对欧亚草原西部的著名远征，或者更确切地说是武力侦察。他率领着由三个万户组成的一支军队进入了南俄罗斯草原。1223年春末，他在喀剌喀河（一条流进黑海的小河）战役中击败了斡罗斯诸王公和西部钦察人组成的联军。接着，速不台向西武力搜索斡罗斯诸公国直到第聂伯河，而后才折回向东。在与伏尔加地区的不里阿耳进行了一次短暂交锋后，于1224年返回蒙古西部。获得必要的情报后，术赤受命发动一次后续战争以使西部草原纳入蒙古版图。
成吉思汗在此同时从突厥斯坦撤出了他的大部分军队，1224年夏季他到达额尔齐斯河，1225年春季到达蒙古中部。回到家乡后，他计划发动另一次战役：1223年党项君主在没有通告的情况下，撤回了他支持蒙古对金战争的军队，蒙古统治者决心严惩这一不忠行为。当成吉思汗在1215年底或1216年初到达克鲁伦河时，蒙古对金的进攻暂时减少了，但并没有停止。成吉思汗最能干和最受信任的将领之一木华黎继续努力清除辽河流域的女真军队，1216年他完成了这项任务。在占领这一地区的主要城市后，木华黎于1217年秋回到蒙古向他的主人报告。出于对他战绩的满意，成吉思汗赐予他“太师”“国王”的称号，并且任命他为统帅，并继续发动一场新的战争去夺取仍在女真人手中的中国北方领土，即太和岭以南的土地。
木华黎于同一年回到南方，在中都（此时改名为燕京）和西京（今大同）建立起军事指挥机构。他控制下的军队包括蒙古左翼军的2.3万人，扩编的由7.7万名汉人、女真人和契丹人组成的附属军队。后者在与金朝战争的早期，不是投降就是叛逃到蒙古人一方。蒙古人在政策上鼓励和奖赏这些背叛，而且效果令人满意。大量金军指挥官，特别是那些非女真族的指挥官，带着他们整个的军队投奔过来。正是这些起关键作用的附属军队的扩充，占去了木华黎可使用军队的四分之三。这使蒙古人甚至在占他们军队大部分的中军和右翼军从中国北部撤出进行西征后，也还能对金朝保持不断的压力。
在新战役的初期，木华黎从中都和西京发动了一场三路的攻势，企图从金朝手中夺取山西、河北和山东。率领中军主力推进到河北的木华黎，不久就遇到强烈的抵抗。他不得不用直接进攻的方式夺取城市，这使双方损失都很惨重。而有时花费这样高的代价所夺取的城市又失掉了，不得不再次攻取。虽然进展非常困难，但木华黎仍缓慢推进。到1218年，在留下金朝叛将张柔巩固蒙古人在河北的战果后，木华黎又将注意力转向山西。
太原位于山西西北部，是金朝西北面的战略堡垒。在太原于10月被攻陷后，蒙古人得以稳固地向南推进。到1219年底，只有山西最南面的狭长地带仍在蒙古人的控制之外。木华黎于是又回到河北中部，并在1220年的夏秋两季接受了金朝控制下的残余城市，包括大名要塞的投降。此后，他推进到山东西部，于10月未经战斗而占领了重要城市济南。由于金朝在南方的错误军事卷入，使1220年蒙古人进展顺利成为可能。1217年，在与蒙古人战斗的间歇期间，金朝皇帝愚蠢地同意对宋开战，因为三年前宋朝中止了对金廷的朝贡。从1217年到1224年，每年由金朝发动的一系列进犯虽然常常在局部获得成功，但他们从未获得绝对胜利。宋朝尽管在开始时遭受挫折，但仍拒绝谈判，他们继续抵抗，在1219年夏天甚至在汉水流域一度设法击溃了金军主力。
金朝分散兵力的做法显然得不偿失。从宋朝得到的疆土无论如何也不够补偿他们在北方丢给蒙古人的土地。而且，从长远利益来看，这明显破坏了他们对付木华黎军队的能力。然而，金朝毫不畏惧，在1220年，他们征集了一支新军，准备进行反击木华黎以重新获得他们损失的一些地区。新军刚组建起来即进攻山东东部，在那里已掀起反抗女真人的汉人起义（红袄军），这很快就引起了蒙古人的注意。当木华黎得知了这支新军的存在后，他立刻在1220年底从济南移师南进，在离开封不远的黄河南岸的一个浅滩黄陵冈对其发动了进攻。他以决定性的胜利击败了敌军，而且由于这次成功，蒙古人扩大了他们的控制地区，占领了除山东东部和陕西之外的黄河北岸金朝的大部领土。山东东部仍在红袄军手中；陕西则仍在金朝的统治之下。在任命汉人叛将管理投降地区之后，木华黎回到北方，沿路进行扫荡。同时，金廷由于反攻失败，派出了一个由乌古孙仲端率领的使团来到西部成吉思汗处，商讨可行的和谈条件。蒙古人要求金朝皇帝接受“王”的称号，这样就承认了成吉思汗的宗主地位；而且必须撤出陕西。然而，金廷认为过于苛刻，所以敌对状态仍继续存在。
1221年中期，为了向金朝重施压力，木华黎在陕西和甘肃东部发动了一次巨大攻势。在首次越过鄂尔多斯之后（这得到西夏军的默许，西夏还提供了为数5万人的附属军队），木华黎于当年年底和第二年年初攻陷了陕西北部和中部的许多重要城市。到1222年春季，他留下了他的将领之一蒙古不花指挥在陕西的进攻，而他自己则越过黄河进入山西，在这一地区阻挡金朝新的反攻。在接下来的战斗中，蒙古人占领了河中和沿黄河的其他设防城市。但在陕西，蒙古不花却由于金军广泛的封锁行动而陷于困境。甚至在木华黎和他的军队于1222年秋季返回之后，蒙古人仍然不能迫使包括长安和凤翔等许多重要城市投降。而在这紧要关头，西夏军队的突然撤回更进一步削弱了蒙古人的军事力量。由于进攻力量大大削弱，木华黎在1223年初解除了对凤翔的包围。在对西夏边界进行了一次短暂的报复性进攻后，他回到了山西，在那里不久就病倒并去世。去世的指挥官立即被他的弟弟带孙代替，但是蒙古人的进攻势头已减弱。金朝充分利用这次机会，立刻结束了与宋朝敌对状态，将其军队撤回到山西南部，收复了以前丢失给蒙古人的一些领土。红袄军在与其结成松散联盟的宋朝的支持下，也利用这一形势扩大了他们在山东的统治，而且短暂地占领了河北的部分地区。后者的行动促使武仙的突然叛变。武仙是不久前投降蒙古人的原金朝将领，1225年，他又一次转变立场。这一次，他将其命运与宋朝联系在一起。面临这些挫折以及成吉思汗决定对付反叛的党项人，蒙古人在以后的几年中，只得满足于对中国北方的控制。
北部的管理
正如成吉思汗本人所承认的那样，蒙古人绝少懂得城市的法律和习惯，而且很难依靠自身能力从事复杂的定居社会的行政管理。因此，有必要吸收大量的熟练专家，尤其是那些有着行政管理和经商经验、愿意帮助蒙古人管理和剥削其统治下的农村和城市居民的人。甚至早在入侵金朝之前，成吉思汗即开始组织由这样的专家组成的骨干。这些专家来自契丹和汉人官员，由于种种原因，他们抛弃金朝的职位而投奔了蒙古人。到1211年发动对金作战为止，成吉思汗的身边已有一批既非常熟悉金朝的行政管理体制，又非常熟悉中国北部情况的顾问。
随着蒙古人越来越猛烈的进攻势头，叛投者的人数也显著增加。汉人官员在第二次波动中数量最多，但也首次出现了一些女真人投奔到蒙古人的阵营中效力。没有进行抵抗而叛降的行政官员按惯例都保留了他们管理县和州的旧有职位。他们的首要职责是维持秩序，征调本地区的人力物力，为蒙古人的军事机器服务。
改变立场的汉人和契丹人军事将领参加了进攻金朝的战争，他们或者独立作战，或者与蒙古军队联合作战。这些将领由成吉思汗或后来的木华黎批准任职。他们得到汉式或蒙古式的官职，被授予权力的符牌以作为他们新地位的一种标志。为了协调军事和行政管理工作，蒙古人借鉴金朝的先例，建立了一系列行台尚书省。这类机构原来是金朝政府的最高行政管理机构尚书省的分支机构，最早于12世纪初组成。它们简称为行省，主要建立于新征服的领土以及后来受到进攻威胁的边界地区。其负责官员，也被称为“行省”，在他的管辖范围内被授予全权，而其管辖范围与金代正式的路（下面分为数州）相当。蒙古人迅速采用了这种制度以适应其需要。1214年，建立了第一个行省，其首领为蒙古将领三模合拔都。中都被攻陷后，1215年，契丹人石抹明安被任命为燕京（中都）“行省”。1217年大规模战争重新爆发后，迎来了汉人反叛的又一次浪潮，一些汉人首次被任命为“行省”。像他们的金朝对手一样，蒙古人任命的“行省”在就职后也获得了处置全权。他们中的大多数人是武将，既然被授予重要职务，在被任命之前就都要仔细地筛选。虽然“行省”这一职务至少在表面上与蒙古习惯相异，但它被有效地纳入了蒙古社会政治体系。被任命这项职务的汉人或其他族人被授予一种适当的军衔，而且在某种情况下，还被任命担任护卫军中的职务。这样，他们成为成吉思汗或他属下的国王木华黎的伴当。为了确保他们的忠诚，这些官员的儿子们被留在各种卫队中做人质。这样，一个汉式行省，就其军政合一的权力、正式的军衔和与汗廷关系的程度而言，大体上相当于千户或万户的高级蒙古指挥官。由于蒙古统治体系中的忠诚纽带是高度个人化的，所以任何种类或重要的官职通常均为世袭的。“行省”也是这样：儿子继承父亲，时间一长，行省辖区即变成私人领地。从长远角度而言，这种“封建化”进程会带来蒙古宫廷所不希望出现的后果。但在短期内，它是巩固对中国北部新征服地区统治的有效方法。站在统治中国北部的蒙古行政管理体系顶点上的是统帅木华黎。他无疑听命于成吉思汗，但从总体而言，他享有广泛的自治权力。一位宋朝使臣赵珙曾于1221年访问过木华黎的营帐，他把他同中原的皇帝相比，虽然他知道木华黎实际上并不是最高统治者。当然，没有其他蒙古指挥官像“国王”那样，被赋予如此多的权力和行动自由。在长期与金朝作战的过程中，木华黎自然也渐渐熟悉了中原文化的一些方面。
据赵珙记载，“国王”的衣着和服饰是中原式的，他营帐中所采用的宫廷礼节也同样如此。而另一方面，赵珙记载说，在木华黎的营帐中，妇女地位很突出，她们可以自由地与男人喝酒和交谈。所有这些均证实了蒙古社会习惯的影响与存在。毫不奇怪，自13世纪前半叶发展起来的蒙古对中国北部的统治制度，是由汉人、女真、契丹、畏兀儿和蒙古的行政管理方法与社会习惯所组成的一个复杂的结合体。这是自汉朝灭亡以后，沿中国草原边界所形成的混合政治的典型。
蒙古对金的战争造成了普遍的破坏、杀戮和社会混乱。他们用蹂躏乡村孤立大城市的手法，意味着城市和农村居民都要遭受严重伤亡和穷困。花剌子模沙摩诃末的一位使臣，在1215年中都投降后不久来到该城，在那里他看到了非常可怕的场面。他记载道，前金朝都城的周围地区，几天里的所到之处都布满了死人的尸骨。而且，由于大量尸体没有被掩埋，瘟疫传播，造成新的死亡，他的一些随行人员亦未能幸免。由于1217年后汉人官员大量进入蒙古政府部门，特别是说服木华黎命令他的军队停止对生命与财产肆意破坏以后，情况多少有了一些改善。不过，在整个13世纪20年代，中国北部仍然是一个动荡的战争舞台，平民人口的死亡数一直居高不下。