当蒙古军队的哨兵前来向铁木真报告:“乃蛮人来到了”时，铁木真毫无畏惧地降旨说:“人数多，死的也多，人数少，死的一也少。”随后就下令迎击。此时的铁木真早已不是十三翼之战时的初出茅庐之辈了，他已经是一个四十三岁的中年人，积累了丰富的战争经验。他改编了军队，加强了纪律，克服了游牧部落散漫的缺点。当铁木真汗经过整顿的军队以战斗队形出现在太阳汗面前时，一旁的札木合惊呼:“看啊，〔我的〕安答铁木真军队的阵势和战斗队形真是与众不同”。
在8万乃蛮军前布阵的4.5万蒙古军实行多层次多梯队的纵深配置。第一梯队是先锋哲别、忽必来率领的精锐；随后是第二梯队；第三梯队是铁木真的本队，第四梯队是总预备队，铁木真的弟弟合萨儿领率的大中军。每一梯队都是密集队形的骑兵战斗集团，而每个梯队又分成若干密集队形的骑兵战斗队。
大战之前，铁木真亲自发布战术原则：“进如山桃皮丛，摆如海子样阵，攻如凿穿而战乎!”这实际上是说，第一、部队向前进攻时，一个千人队要分成若干小队，分散聚簇前进，前后左右相互联络，可以防止某一部位遭受敌人猛烈冲击时造成队伍溃散。第二、部队向前冲锋时，要将一个千人队摆成宽正面纵深队形，一般是横队百骑，纵深十列，侧翼的骑兵配置重装。根据地形条件和敌方阵势，可以由若干个千人队组成加宽正面或加深纵向的加强队形。这种队形展开冲锋时，万马奔腾，汪洋一片，铺天盖地，势难阻挡。第三、部队向前进攻冲锋时，以前锋军（由最优秀的勇士组成）实施突击强攻，如同凿子攻木一般，直冲敌军统帅阵地。
而在战斗时的蒙古骑兵会组成五排队形。重骑兵组成头两排，旨在进行主要的打击。这些马着皮革制成的装甲。兵士们头戴铁盔，身穿牛皮胸甲，胸甲上面带有铁制鳞片，拿着12英尺长矛、弓和短弯刀、战斧或狼牙棒。身穿轻盔甲或根本不穿盔甲，携带短剑、投枪和弓箭的轻骑兵组成最后三排。轻装部队分成三个小分队——即先锋和两翼——在主力部队前边很远的位置分散开来开展小规模战斗。假如敌人攻其一翼，与他相遇的轻骑兵便自动成为先锋，其他散兵部队转向两翼，主力部队正面迎敌。一旦先锋与敌人交战，主力部队后三排中的轻骑兵便穿过重骑兵行列来参加战斗。假如蒙古人正在挺进，轻装部队便把箭和投枪雨点般地射向敌人。倘若敌人正在挺进，轻装部队便赶在他前面一边撤退，一边向后放箭。在这两种情况下，目的都是打乱敌人的阵脚。当敌人阵营果然乱了时，轻骑兵便脱离战斗，转移到两翼，从而给重骑兵留出畅通的道路，以便其冲上来进行决定性的打击。倘若轻骑兵未能在敌人防线上造成必要的空隙，指挥官便会命令一翼上的轻骑兵从侧面攻击敌人的侧翼。与此同时，重骑兵包抄到这一侧翼后面，从其后方发动决定性攻击。这个战术被称为“Tulughma”，在未来的战争中将屡试不爽。
1204年7月1日，眼看蒙古军杀将过来，太阳汗向札木合询问敌情——毕竟整个乃蛮军中没有比他更了解铁木真这位“安答”了。札木合指着阵上的蒙古军队逐一介绍：“（哲别、速不台、者勒蔑、忽必来）是我的帖木真安答用人肉喂养，用铁索栓着的四条猛狗。驱赶我军哨兵的就是他们”；“他们是追赶拿枪的男子，杀了他们而夺其财物的那些人。他们是追赶拿环刀的男子，把他们砍到而夺其财物的那些人。他们被称做兀鲁兀惕人、忙忽惕人。如今他们不是欢跃着杀来了吗？”；“我的安答铁木真。他浑身上下以生铜铸成，用锥子去扎，找不到空隙；他全身用精铁锻成；用针去刺，找不到缝儿，你仔细看看吧!”对于铁木真的弟弟合撒儿，札木合对太阳汗说:“他是月伦兀真用人肉养着的一个儿子，身高过丈，一顿能吃一头小牛。他发怒之时，引弓放其叉披箭，能射穿隔山的一二十人。他和敌人相斗时，引弓放射长箭，能射穿越野横渡之人。他生得与众不同，身躯莽撞，像个大魔君。”
可以想象，从未上过战场的太阳汗闻之胆寒，每听说完一个人，就往山上退几步，最后退到了崖顶，乃蛮军队也跟着上山立下了阵脚。但狡猾的札木合重施故技，又一次向铁木真派出密使，告知乃蛮军的布防情况，“太阳汗听了我的话后，已吓的昏了，惊慌地退到了高处，经过我的口诛舌伐，他已害怕地爬上山去。安答，你要坚定，他们已经上山了。这些人没有迎击的胆量，我已经离开了乃蛮，你要谨慎!”。告密之后，札木合随即离开了战场，投奔乃蛮北部的不亦鲁黑汗去了，他仍然指望能够再次在太阳汗与铁木真的两败俱伤中渔翁得利。
得知乃蛮军的将士毫无战斗意志，惊恐万状，士气沮丧的情况和统帅部的位置和太阳汗的心理状况的最新情报之后，铁木真集中兵力，向纵深突击。蒙古军虽然兵少，却士气高昂，经过多梯次的冲击，突破乃蛮军的正面防御阵地，并向两翼及纵深扩展战果，铁木真亲率怯本队的怯薛军，直逼太阳汗的大本营。此时，固守在各山头之乃蛮军，见自己统帅部将要被包围的情况后，欲图下山回救，但被合撒儿所率的大中军所截击。于是，下山准备援救统帅部的乃蛮军却遭到了蒙古军的两面夹击，不经多时，被铁木真军击破或歼灭。惟有从峡谷西侧越山而来的一部分乃蛮军，对蒙古军的包围尚有点威胁，但因山高林密，攀越艰难，因此前进速度极慢而鞭长莫及了。
眼看救援无望，蒙古军却在步步逼近，太阳汗便乘夜准备率众突围。由于蒙古军早已把下山通路均已派兵封锁，乃蛮军无法通过，只好攀登山涧陡崖、野兽行走的小道，可是，因人马甚众，在夜暗行动又不便，许多人在逃跑时“从纳忽山崖上坠落乱堆在一起，跌碎骨骼，如烂木头般相压而死”，太阳汗本人也在这次突围过程中被乱箭射伤，因流血过多，只好躺在一处难以攀登的山坡上。跟随他的有火力速八赤等几个亲信将领。火力速八赤对他的部众说:“让我们在他死去之前，在他面前厮杀吧，让他看到我们战死吧!”于是他率部众冲下山坡，直至全部战死为止。铁木真本想活捉这样的忠臣，但他们没有让铁木真如愿。事后铁木真感叹道:“有这样的那可儿保护他，太阳汗死了也没什么可悲伤的。”
翌日，太阳汗伤重而亡，乃蛮军队在纳忽山之战彻底惨败。铁木真汗率军继续追击逃散的乃蛮军队。乃蛮太子屈出律当时不在太阳汗大营中，闻知父亲战死，急忙逃至塔米河(即鄂尔浑河左岸支流塔米儿河，发源于杭爱山北麓，流经今蒙古国后杭爱省境内)畔扎营结寨。蒙古军队冲来时，屈出律也抗拒不住，只得继续一路西逃，奔入北乃蛮部其叔父不亦鲁黑汗处。强盛一时的乃蛮部只经过一天的战斗，就已经不复存在了。在十几天内，蒙古军队追击溃散的乃蛮残军一直到阿尔泰山前，将乃蛮本部部众百姓全部收服，而跟随札木合投奔太阳汗的札答兰、泰亦赤、弘吉刺等部落的残余人马走投无路，至此也全部投降铁木真。
在追击战中，蒙古军俘虏了太阳汗的掌印官塔塔统阿（畏兀儿人）。合撒儿问他:“你怀揣太阳汗金印，想做什么?”塔塔统阿回答:“这是我的职责，我要把这颗金印送给旧主，不小心被俘了。”合撒儿又问:“这颗金印有什么用?”塔塔统阿又答道:“出纳钱谷，委任人才，用于各种政令。”合撒儿称赞他为忠义之人，遂报知铁木真。铁木真汗劝他归降，并令他为蒙古实行此种印鉴制度效劳，同时用畏兀儿字母为蒙古人创造文字，教习王子及诸亲王等。从此，蒙古民族开始有了自己的文字。这种畏兀儿字母蒙古文字经过不断改进，一直沿用至今（反而维吾尔文已经改用阿拉伯字母）。
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