耶律哲別當夜派出三百精兵摸至缺口，試探守軍反應。城頭立即拋下七八捆浸過油的草束，火把投下，烈焰沿缺口邊緣燒了一整夜。
天亮時，缺口仍在，但邊緣夯土被烘得更加堅硬，短時內無法擴大。
耶律哲別沒有在這裡繼續糾纏，轉而命弩砲集中射擊城南塔樓。三天內，樓頂木垛被鐵矢削平，守軍弓箭手損失過半，城頭火力明顯稀疏。
保加爾人的弓箭對數百步外的砲手毫無威脅。他們曾試圖在夜間出城焚燬攻城器械，但耶律哲別早已在雪地中設定絆馬索與陷坑。出城的騎兵被包抄到城牆根下，幾乎全軍覆沒。
第六日，來自喀山城堡方向的援軍被蒙古輕騎在松林中的伏擊所截，塔裡克·卡馬元帥戰死在距城門僅半日路程的河谷中。
臘月廿六，投石機連續猛轟城門區域，弩砲壓制殘存塔樓。攻城車推至城下，頂棚覆三層溼獸皮，火箭射上去，只燒焦了表皮。
第八日，東城牆在連續轟擊後塌陷了一段三丈寬的缺口。
耶律哲別的親兵沒有在缺口處集結，而是在夜間沿城牆根向東移動了半里，黎明前用火藥炸開了另一處早已暗中標定的薄弱點。
雙面夾擊之下，守軍的防線在太陽昇起前便全線崩潰。
契丹騎兵湧入時，幾乎沒有遇到成規模的抵抗，比里亞爾城破。
耶律哲別勒馬停在城門內側，面朝街道上聚集的保加爾人，聲音冷如鐵砧：「車輪以上，盡屠之。」
他隨即對部下補了一句：「留下能打鐵、能架屋、能認草場的，送到卡門格勒。其餘的，一個不留。」
比里亞爾城的慘叫聲持續了整整一天一夜。男女老幼，無論貴賤，凡身高超過車輪者，盡數被斬於冰封的街道上。清真寺的圓頂被拆毀，薩滿祭壇的圖騰被投入火堆，城中堆積如山的皮毛、糧食與金銀被裝上牛車運回卡門格勒。
冰雪覆蓋的街道上，血水順著坡度緩緩流下，在城牆根處凝結成一片暗紅色的冰面。冬天還長，它大概得到來年春天才會融化。
幾乎同一時刻，喀山城堡也陷入了火海。保加爾可汗艾哈邁德·布加里原本還在等待塔裡克·卡馬的救援，卻在第三天清晨看到了比里亞爾城方向沖天而起的黑煙。煙柱在冬日晴空中像一根巨大的黑色立柱，連遠在百里之外的喀山都看得清清楚楚。
他這才明白，自己已經無處可逃。
喀山城堡的東面也早已燃起圍城篝火。耶律朮薛的左翼在半月前便切斷比里亞爾至喀山的官道，途中焚燬數座儲糧庫棚，所有逃向北方的信使皆被射殺在路邊凍林裡。
合不勒汗的右翼攻克茹科廷後，馬不停蹄地壓向喀山城南。兩路合圍，將這座保加爾汗國的軍事核心徹底孤立。
城內守軍曾於臘月廿三出城試圖驅散圍城騎兵，但在開闊雪原上被合不勒汗的騎兵兩翼回抄，折損數百人後倉皇撤回，此後城門緊閉，再不出戰。
守城主將是易卜拉欣·卡其，保加爾汗國最負盛名的老將，曾在夏汛時親率騎兵突襲卡門格勒外圍。
此時他站在喀山城頭，肩上舊傷未愈，仍嘶吼著指揮弓手填堵缺口。
耶律哲別的弩砲在比里亞爾城陷落後便分出一半調往喀山。
臘月三十那天風雪極大，三張硬弩同時扣動機關。粗鐵矢呼嘯著砸過去，直接撕裂了易卜拉欣的熟鐵胸甲，連人帶馬狠狠釘死在木柵垛子上。這老將在冰風裡掛了整整一夜，直到大年初一清晨，才被幾個契丹兵用長矛像挑爛布袋一樣摔下城去。
喀山城堡的圍攻持續到正月初十。城牆在投石機連續轟擊下崩塌了數處，合不勒汗的騎兵從東面缺口湧入，城內巷戰持續了一整夜。
天光透亮時，城中幾乎找不到一棟完整的房屋。條石基座被撬出運走，木樑焚為灰燼，深井被填以碎石。
艾哈邁德·布加里可汗在城破前一夜已帶著妻妾與少數近臣從北面暗道逃出。他換上平民的羊皮袍子，裹緊頭巾，沿伏爾加河支流的冰面一路向西北步行了十餘天，經羅斯諸國輾轉抵達拜占庭境內的普雷斯拉夫城。那裡有他的姻親，也是多瑙河保加利亞貴族多年的落腳地。他留下的王印被契丹士兵從焦黑的宮殿廢墟中刨出，後來熔成了馬蹄鐵。
正月剩餘的日子裡，茹科廷、蘇瓦爾、奧舍爾等保加爾商業城鎮接連投降。大部分守軍已在喀山與比里亞爾兩戰中陣亡或潰散，剩下的部落首領紛紛遣使獻降，甘為西遼附庸。
耶律哲別將繳獲的糧食、皮毛、鐵器裝車運回卡門格勒。俘虜中的鐵匠與木匠被單獨挑出，與其餘男性分開編隊。
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