Одновременно с Балканским был открыт и Кавказский театр военных действий, который должен был связать турецкие силы в Малой Азии, но главная роль отводилась все же Дунайской армии, включавшей в себя и болгарское ополчение, насчитывавшее 7,5 тысяч человек. Прием, оказанный болгарским населением воинам-освободителям, превзошел все ожидания. Как свидетельствовал, например, полковник Савич: «Масса жителей болгар, греков и других национальностей встретила нас за городом с букетами и венками... Офицеры и солдаты не только были обвешены цветами, но в знак признательности болгары дарили платки носовые, вышитые золотом, выносили лучшие свои вина, раздавали булки целыми сотнями и не знали, чем еще выразить свою благодарность и любовь».
Русские войска не могли двигаться на Стамбул, имея на флангах сильные турецкие группировки. Поэтому, отправив отряд И. В. Гурко на Шипкинский перевал, соединяющий Северную и Южную Болгарию, главные силы армии начали действовать против Осман-паши, сосредоточившего в крепости Плевна 16 тысяч человек (позже турецкий гарнизон увеличился еще более). Взять Плевну с ходу не удалось, война затягивалась, да и на Кавказском фронте дела поначалу не заладились. Во второй половине июля 1877 года попытка взять Плевну силами относительно небольшого отряда потерпела неудачу. Потеряв в бою одного генерала, семьдесят четыре офицера и две тысячи двести семьдесят одного рядового, русские отступили. Второй штурм крепости принес еще большие потери, но результат его был столь же плачевен.
После этого Александр II запаниковал, спрашивая окружающих: «Что же это, второй Севастополь?» Императора можно понять. Его царствование началось с позорного поражения русской армии в Крымской войне, и до Русско-турецкой войны 1877-1878 годов Александр Николаевич серьезных битв не выигрывал (вряд ли таковыми можно считать покорение горцев Кавказа, длившееся несколько десятилетий, или завоевание рабовладельческих государств Средней Азии). У него не было навыка военных побед, у него не было духа победителя, а вот опыт побежденного он имел и ни в коем случае не хотел его обогащать.
Самое страшное для русской армии началось после «третьей Плевны», когда штурм, приуроченный к дню ангела императора, закончился чуть ли не катастрофой (было убито около тринадцати тысяч человек, среди них два генерала). Причем во время этого штурма был момент, когда генералу М. Д. Скобелеву удалось прорвать оборону противника и выйти на окраину Плевны. Однако, не получив подкрепления и отбив четыре контратаки турок, отряду пришлось отойти на прежние позиции. Великий князь Николай Николаевич, доказавший свою полную несостоятельность в качестве главнокомандующего, предложил отступить к Дунаю, чтобы собраться с силами. Против этого предложения резко выступил военный министр Д. А. Милютин, и дело дошло до того, что великий князь предложил министру возглавить армию. Кто знает, чем бы кончилась эта безобразная сцена, если бы император остался в Петербурге и не последовал за армией.
В те дни единственным «светлым пятном» на Балканском театре военных действий стала героическая оборона русской армией и болгарскими ополченцами Шипкинского перевала. «Шипкинское сидение» голодных и плохо одетых солдат вошло в историю как образец воинского долга и мужества, ведь потери среди защитников Шипки составили около половины их численного состава. Результатом действий отряда Гурко и вовремя подоспевшего ему на помощь Радецкого стало то, что подкрепление плевненскому гарнизону так и не смогло пробиться в Северную Болгарию. 18 ноября 1877 года, исчерпав все ресурсы обороны, Осман-паша и 43 398 турецких солдат и офицеров сдались в плен.
Александр II назвал главным героем плевненской эпопеи Д. Милютина, который не только всегда был уверен в победе, но и указал ее пути, вызвав под Плевну генерала Тотлебена, организовавшего ее правильную осаду. В честь плененного Осман-паши был дан торжественный завтрак, на котором император возвратил турецкому военачальнику его саблю и пообещал, что, находясь в России, тот «не будет иметь причин к какому-либо недовольству». Поступок монарха напоминает поведение Петра I после Полтавской битвы, но вряд ли Александр Николаевич вспомнил о предке, просто он привык воздавать должное мужеству врага.
Чем же еще занимался монарх во время осады Плевны? Главной его заботой были раненые солдаты и офицеры, которых он не только ежедневно навещал в госпиталях, но и подбирал в свою коляску прямо на поле сражения. Князь В. И. Черкасский, наблюдавший это своими глазами, писал: «Видя его в лазаретных палатках, похудевшего, грустного, истомленного... приходит на ум сближение его здесь роли с ролью Людовика Святого в крестовых походах...» Во время кампании Александр Николаевич переболел приступом астмы, катаром верхних дыхательных путей, лихорадкой и чем-то вроде дизентерии, но больше всего его донимали тревога за исход войны, истощающее духовно и физически нервное напряжение.