Wilayah Khorasan berisi kota-kota Jalur Sutra seperti Merv, Nishapur, dan Herat, yang termasuk kota-kota terbesar dan terkaya di dunia. Tolui secara sistematis mengepung dan merebut kota-kota tersebut, menjarah kekayaan mereka dan mengeksekusi penduduknya. Meskipun para sejarawan modern menganggap angka-angka yang ditulis oleh para penulis sejarah abad pertengahan terlalu dibesar-besarkan (satu catatan menyebutkan 2,4 juta orang tewas di Nishapur saja), mereka tetap memperkirakan jumlah korban tewas mencapai jutaan, terutama jika bencana kelaparan dan kelaparan yang diakibatkannya diperhitungkan. Kampanye tersebut tentu saja merupakan salah satu yang paling berdarah dalam sejarah manusia.
Sementara itu, Subutai dan Jebe mengejar Shah ke sebuah pulau di Laut Kaspia, tempat ia meninggal; kedua jenderal itu, dengan izin Khan, kemudian berangkat dalam sebuah ekspedisi di sekitar Laut Kaspia, yang akan memakan waktu tiga tahun. Akan tetapi, putra Shah, Jalal al-Din, berhasil lolos dari pasukan Tolui, dan mengumpulkan pasukan besar di dekat Ghazni. Ia menimbulkan salah satu kekalahan besar pertama Mongol di Shigi Qutuqu pada Pertempuran Parwan pada musim gugur 1221, tetapi kemudian dikalahkan oleh Jenghis Khan sendiri.