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失吉忽都忽见花剌子模骑兵来势汹汹，又见扎兰丁留在花剌子模重兵器车阵地里中军，于是想利用成吉思汗习惯的掏心战法，擒贼先擒王、直取扎兰丁。
失吉忽秃忽大声对身后的蒙古骑兵说，蒙古勇士们，现在站在他们阵前的，是阿拉丁摩诃末苏丹的大王子扎兰丁，抓住了他，可是盖世奇功啊！蒙古勇士们，跟我冲啊！
失吉忽秃忽拔出佩刀，率兵直冲花剌子模重兵器车阵地。
扎兰丁见此情景，命令放弩车继续朝蒙古骑兵发射第二轮火箭。瞬间无数的火箭飞向蒙古骑兵。正在冲锋的蒙古骑兵成批成批落马倒下。失吉忽秃忽只得率军后撤。
这时花剌子模两翼包抄部队冲了上来，把蒙古骑兵包围起来，两支骑兵混战在一起。随后扎兰丁又指挥八万步兵压了上来。
此时蒙古骑兵剩下不到五千人，很快不敌花剌子模大军，失吉忽秃忽左臂也中了一箭，只得率领蒙古骑兵继续后撤，撤到重兵器车和铁甲战车旁边，想利用重兵器车和铁甲战车的掩护继续抵抗花剌子模。可惜已经来不及了。花剌子模骑兵迅速追击上来，不但摧毁了很多重兵器车，还斩杀了不少蒙古骑兵。
失吉忽秃忽只得继续带着蒙古骑兵和两万步兵北撤，当撤退至峡谷口时，埋藏在峡谷两边的两万步兵从两边山上扔下很多木头、石块，砸死砸伤很多蒙古士兵，然后他们也冲下山来，和下面的花剌子模骑兵、步兵一起追击蒙古军队。
花剌子模骑兵继续追击蒙古骑兵，花剌子模步兵则在后面斩杀受伤的蒙古骑兵和没有逃脱的蒙古步兵。
失吉忽秃忽率领蒙古骑兵北逃三十余里，才摆脱花剌子模骑兵的追击。此时失吉忽都忽身边仅剩下百余名骑兵，三万蒙古征南军几乎全军覆没，三百余辆重兵器车和五百余辆铁甲战车也要么被摧毁要么被花剌子模大军缴获。不过花剌子模大军也损失骑兵数千、步兵两万余人。
八鲁湾之战蒙古大军大败，其失败的原因，一是八鲁湾的地形不适应骑兵作战，虽然花剌子模也使用骑兵作战，但占据了有利的地形，可以居高临下攻击蒙古骑兵。
二是成吉思汗用人不当造成的结果。失吉忽秃忽虽然也算机智勇猛，但已经很久没有指挥过战斗，成吉思汗只是出于对失吉忽都忽的信任，就把这么重大的任务交给失吉忽秃忽，又没有安排得力副将辅佐。但成吉思汗选择让失吉忽都忽率兵，也是无奈之举。因为此时的成吉思汗身边已经没有太多能征惯战的将领，这些将领有些留在蒙古草原和金国等地，有的在攻打花剌子模其它城池，像一些能够独挡一面的帅才如哲别、速不台等人也在继续西征，还有一些将领已经战死，成吉思汗环视身边可信可用的人也只有失吉忽都忽了。
三是成吉思汗不知道阿拉丁已死，扎兰丁成为花剌子模新苏丹，误认为扎兰丁率领的也是花剌子模一支偏军，所以有些轻敌。
返观扎兰丁和贴木儿蔑里、阿勒巴儿汗等人，多次与蒙古骑兵交手，深知蒙古铁骑那迅速迂回包抄、闪电突击与集中兵力直捣中坚等战术，于是精心选择了这个盆地，让自己的人马列阵盆地一侧边缘，诱使蒙古铁骑进入盆地中央，然后布置了大量的重兵器车和伏兵，有效的阻击蒙古铁骑的冲锋。
八鲁湾之战，是蒙古大军西征以来最大的一次惨败，也是花剌子模自蒙古大军入侵以来最大的一次胜利，花剌子模士兵和人民收复失地、重振河山的希望再一次被点燃。