В Бухаре Омар Хайям прожил до начала 1074 года. Столица караханидского государства, как и другие крупные города Мавераннахра, состояла из трех частей: цитадель, первоначальный собственно город (шахристан или, как называли его арабы, мадина) и пригород, расположенный между первоначальным городом и новой, выстроенной в мусульманское время стеной (рабад). Цитадель с древнейших времен находилась на том же месте, что и ныне: к востоку от площади Регистан. Во времена Шаме аль-Мулька в крепость вели двое ворот: ворота Регистан (на западе) и ворота Гуриян, или «Ворота пятничной мечети» (на востоке). От одних ворот до других шла улица. На всем пространстве от ворот Регистана до прилегавшей к цитадели поляны Деш-тек, покрытой камышом, располагались дворцы, гостиницы, сады и бассейны.
Бухара отличалась одной особенностью: в противоположность большинству других городов цитадель находилась не внутри шахристана, а вне его. Между ними, восточнее цитадели, имелось еще свободное пространство, где находилась соборная мечеть. Стена шахристана имела только семь ворот. После арабского завоевания шахристан был объединен с пригородом и окружен общей стеной.
Между цитаделью и шахристаном, рядом с главной городской мечетью, находилась знаменитая ткацкая мастерская, изделия которой славились на весь мир: ковры отсюда вывозились в Сирию, Египет, Рум.
В столице Караханидов ремесла и торговля были особенно развиты. Путешественник Макдиси перечисляет то, чем славилась в тот период Бухара: «Что касается товаров, то вывозятся следующие: из Бухары — мягкие ткани, молитвенные коврики, ковры, ткани для настилки полов в гостиницах, медные фонари, табаристанские материи, лошадиные подпруги, выделываемые в местах заключения, ушмунские ткани, жир, овечья шерсть, масло, которым мажут голову. Не имеют себе равных бухарское мясо и род бухарских дынь, известных под названием «аш-шак».
Историк того времени Наршахи в своей «Истории Бухары», касаясь производства тканей в Бухаре, пишет: «…ни в одном городе Хорасана не умели ткать таких хороших материй». Они расходились отсюда по всему миру. Искусство бухарских мастеров было предметом подражания. Бухарцы выезжали в Хорасан, пытаясь, небезуспешно, наладить там производство столь же качественных тканей, которые охотно употребляли высшие слои общества. «Не было царя, эмира, раиса, чиновника, который не носил бы одежды из этой ткани», — пишет тот же Наршахи.
Улицы Бухары отличались своей шириной и были вымощены камнем, который брали с горы Варка, около селения того же имени, где начинается горная цепь. При всем том в XI веке город считался перенаселенным и нездоровым: плохая вода, зловонный воздух. И в этом он был похож на родину Хайяма — Нишапур. Один из арабских путешественников даже назвал Бухару «отхожим местом этого края».
Улицы города хотя и были достаточно широки, но места все же было недостаточно для такого числа жителей. Ведь, по свидетельству арабского географа Истахри, Бухара была самым многолюдным городом в Мавераннахре.
Город был подвержен частым пожарам. В то время в строительстве применяли много дерева. Даже у минарета главной соборной мечети верхняя часть была деревянной. Еще до приезда Омара Хайяма в Бухару в 1068 году во время борьбы за престол между сыновьями Тамгач-хана Ибрахима соборная мечеть сгорела. От горючих веществ, брошенных из цитадели, вспыхнул деревянный верх минарета, который обрушился на мечеть. В следующем году мечеть была восстановлена, верх минарета сделали из жженого кирпича.
Главная городская река Бухары носила название Руд-и. Зер (буквально «Золотая река»). По словам того же Макдиси, «она входит в город со стороны Келлябада; здесь устроены плотины, сделаны широкие шлюзы и поставлены бревна. Весной, во время полноводия, удаляют одно бревно за другим по мере поднятия воды, так что большая часть воды уходит в шлюзы и потом течет к Пейкенду; без этой хитрости вода обратилась бы на город. Это место называется Фашун; ниже города есть другие шлюзы, называемые «Рас аль-Вараг» («Голова плотины»), устроенные таким же образом. Река прорезывает город, проходит через базары и разделяется (на каналы) по улицам. В городе есть широкие открытые хаузы (бассейны); на берегу их устроены из досок помещения с воротами доя совершения омовения. Иногда вода, которую отводят в Пейкенд, прорывается сквозь заграждения, и участки земли среди лета покрываются водой. В тот год, когда я прибыл туда, вода затопила много участков и разорила население».