[[Berkas:Map of the Khwarazmian Empire.png|thumb|left|upright=1.5|Peta [[Kekaisaran Khwarazmian]] pada 1215, Kampanye Tolui merebut [[Khorasan Raya|Khorasan]], wilayah pusat kekaisaran tersebut.]]
padaPada [[invasi Kekaisaran Khwarazmian oleh Mongol|invasi Kekaisaran Khwarazmian]], yang dimulai pada 1219, Tolui awalnya menyertai pasukan ayahnya. Mereka melakukan [[Pengepungan Otrar|pengepungan]] di [[Otrar]] untuk menyerang pusat-ousat besar [[Transoxiana]]—ibukota [[Khwarazmshah]] [[Samarkand]] dan tetangganya [[Bukhara]]—pada awal 1220.{{sfnm|Jackson|2017|1pp=77–78|Buniyatov|2015|2pp=114–117}} Bukhara direbut pada bulan Februari setelah [[pengepungan Bukhara|pengepungan balik]], sementara Samarkand [[Pengepungan Samarkand (1220)|jatuh pada dua bulan kemudian]].{{sfnm|Biran|2012|1pp=56–58|Jackson|2017|2p=78}} Genghis bergerak ke selatan menuju [[Pegunungan Turkestan|pegunungan Turkestan]]. Disana, ia menempatkan tentaranya selama musim panas sementara para panglimanya [[Jebe]] dan [[Subutai]] bergerak ke barat dan para putranya melakukan berbagai operasi. Pada musim gugur, ia diperintahkan untuk menyerang dan merebut [[Termez]].{{sfn|Boyle|2007|pp=308–311}} Tolui dan ayahnya menjalani musim dingin pada 1220–21 bersepakat dengan para pemberontak di [[Vakhsh (sungai)|hulu sungai Vakhsh]] yang kini berada di [[Tajikistan]]. Pada waktu itu, Jebe dan Subutai bergerak ke [[Iran barat]], dan kota-kota yang sebelumnya direncanakan pada mereka di [[Khorasan Raya|wilayah Khorasan]] telah menjadi lebih nampak. Menantu Genghis Khan [[Toquchar]] dibunuh dalam sebuah pemberontakan di [[Nishapur]] pada November 1220.{{sfnm|Boyle|2007|1pp=311–314|Manz|2010|2pp=134–135}} Usai merebut [[Balkh]] pada awal 1221 dan meneruskan pengepungan [[Taloqan|Taliqan]], Genghis mengerahkan Tolui ke Khorasan untuk meredakannya dengan tanpa perlawanan yang tersisa di wilayah luas dan kaya tersebut. Tugasnya untuk meredam dan menduduki wilayah tersebut beserta kota-kotanya menjadi memungkinkan, dan ia memegang tugas tersebut "dengan sepenuh hati dari wilayah yang tak pernah dipulihkan", menurut penuturan sejarawan [[John Andrew Boyle|J.A. Boyle]].{{sfnm|Jackson|2017|1p=79|Manz|2010|2pp=134–135|Boyle|2007|3p=312}}
