К сожалению, великий князь Михаил Николаевич не сумел организовать преследование турок. Только 5 октября русские войска получили приказ перейти в наступление. Главные силы были разделены на два отряда - генерала Лазарева (32 тысячи человек при 146 орудиях), который двинулся к Карсу, и генерала Геймана (18 тысяч человек при 98 орудиях), которому поручили совместно с Эриванским отрядом генерала Тергукасова преследовать остатки войск Мухтара-паши и двигаться к Эрзеруму.
9 октября отряд генерала Лазарева подошел к Карсу. В октябре 1877 года Карс представлял собой одну из наиболее сильных крепостей Азиатской Турции. Крепость имела четыре группы укреплений с высотой валов до 6 метров и толщиной до 10 метров, с каменными казематами, казармами и пороховыми погребами. Укрепления были связаны между собой траншеей полного профиля, между ними стояли полевые батареи. Впереди укреплений и траншей имелись рвы глубиной до 3 метров и шириной до 18 метров, волчьи ямы в 3-5 рядов, самовзрывающиеся фугасы (петарды), сети и другие препятствия. Крепостная артиллерия состояла из 192 нарезных и 111 гладкоствольных орудий. Большую часть (77 из 111) гладкоствольных орудий составляли мортиры 5-, 2-, 1- и полупудового калибра. К началу осады гарнизон Карса насчитывал 25 тысяч человек. Комендантом крепости был Гуссейн-Хами-паша.
Русские войска, обложившие Карс, имели 28 тысяч штыков и сабель. В составе полевой артиллерии было 56 пушек. С 13 по 20 октября к Карсу подошел осадный артиллерийский парк, в составе пяти 6-дюймовых пушек весом в 190 пудов, 24 медных 24-фунтовых пушек, 28 стальных 9-фунтовых пушек и 6 шестидюймовых мортир.
С 30 октября неделю подряд происходила интенсивная бомбардировка турецких укреплений. 5 ноября в 9 часов вечера начался штурм крепости. В нескольких местах штурмовые колонны сопровождали 3-фунтовые горные пушки. К 8 часам утра 6 ноября уцелевшие при штурме турки капитулировали. Удалось бежать только небольшой группе всадников и коменданту крепости Гуссейну-Хами-паше. Всего при штурме Карса были взяты в плен 18 тысяч турецких солдат и офицеров, в том числе начальник артиллерии крепости Гуссейн-бей. Кроме того, турецкий гарнизон потерял убитыми и ранеными около 7 тысяч человек. Русские войска взяли всю артиллерию Карса (303 орудия), несколько тысяч ружей и огромные склады с различными запасами. Потери войск русского корпуса не превышали 2300 человек убитыми и ранеными.
Штурм Карса стал последним крупным сражением на Кавказском театре военных действий. 27-28 октября генерал Гейман пытался штурмовать Эрзерум, но потерпел поражение и снял осаду крепости.
Операции Кобулетского отряда в районе Батума велись вяло. Командующий отрядом генерал Оклобжио, а затем сменивший его в августе генерал Комаров всю войну провели практически на одних и тех же позициях и до окончания войны не сумели взять Батум.