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 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 Шамс 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 Дештек, покрытой камышом, рыли 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 пригородами в один город и окружен общей стеной.

Между цитаделью и шахристаном, рядом с пятничной мечетью, находилась знаменитая ткацкая мастерская, изделия которой славились на весь мир: ковры отсюда вывозились в Сирию, Египет, Рум. Вообще в столице Караханидов ремесла и торговля были весьма развиты. Макдиси перечисляет то, чем славилась 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“.

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, но безуспешно, 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 брался с горы Варка, около селения того же имени, где начинается горная цепь. При всем при том в XI веке город считался перенаселенным и нездоровым: с плохой водой, зловонным воздухом. 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 столицы. 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 1088 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.

Главный городской арык Бухары носил название Руд-и Зер (буквально «Золотая река»). По словам того же Макдиси, «река входит в город со стороны Келляба-да; здесь устроены плотины, сделаны широкие шлюзы и поставлены бревна. Летом, 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 для совершения омовения. Иногда вода, которую отводят в Пейкенд, одерживает верх, и участки земли среди лета покрываются водой. В тот год, когда я прибыл туда, вода затопила много участков и разорила население».

В Бухаре, как нигде в другом месте, был распространен обычай захоронений внутри города, поблизости от жилых комплексов или даже в них самих. Даже в самом шахристане попадались кладбища. Часто умерших хоронили и во дворах жилых домов. В таком случае выделялась какая-нибудь отдаленная часть двора, обносилась изгородью, нередко там возводилась легкая постройка, а остальная часть дома продолжала жить своей обычной жизнью. Но обитатели его из страха перед гневом и наказанием со стороны духа умершего следили за тем, чтобы поблизости от могилы не произошло что-нибудь непристойное.

В 1069 году Шамс аль-Мульк приказал построить для себя южнее города дворец и устроить охотничий заповедник. Дворец был окружен садами и пастбищами. Наршахи пишет об этом таким образом: «Малик Шамс аль-Мульк купил много участков земли у ворот Ибрагима и разбил там великолепные сады… назвал это место Шамсабад». В нем бывал и Хайям. Свой старый дворец, находившийся около Новых ворот в местечке Карек-и Алевиян Шамс аль-Мульк подарил бухарским улемам.

Вообще, несмотря на кочевой образ жизни, и Шамс аль-Мульк, и его отец Ибрахим исполняли и ту обязанность государей, которая выражалась в «украшении городов высокими и красивыми зданиями, устройстве рабатов на больших дорогах». Тамгач-хан Ибрахим выстроил в Самарканде, в квартале Гурджаан, великолепный дворец, который должен был напоминать потомству о славе хана, как Фаросский маяк — о славе Александра Македонского. Из построек Шамс аль-Мулька особенной известностью, кроме Шамсабада, пользовался «царский рабат», построенный в 1078—1079 годы около селения Хардженг. Другой рабат был выстроен Шамс аль-Мульком в месте Ак-Котель, на дороге из Самарканда в Ходженд. В 1080 году здесь был похоронен и сам хан.