Сбив турецкий заслон, авангард скобелевской колонны занял брошенную жителями деревню Имитли. В тот вечер Скобелев не мог начать атаку вражеского лагеря: с гор ещё не спустились Владимирский и Суздальский пехотные полки, 12-й стрелковый батальон, Донской казачий полк, большая часть горных орудий. Командир колонны объявил, что атака турок на рассвете следующего дня.
Тем временем колонна Святополка-Мирского начала штурм турецкого лагеря у Шейново. Вессель-паша провёл несколько сильных контратак, но они закончились тем, что русские, преследуя бежавшего неприятеля, ворвались в деревню Шипка. С наступлением темноты бой затих сам собой.
На рассвете следующего дня Шипко-Шейновское сражение возобновилось с более яростной силой. Скобе лев атаковал лагерь неприятельской армии с запада и юга, Святополк-Мирский — с востока, Радецкий, спускаясь с перевала, — с севера. Атаки начались без артиллерийской подготовки, и из-за густого тумана турки оказались захваченными врасплох: они поздно увидели подходившие русские колонны.
Около 14 часов дня войска Скобелева овладели Шейново и соединились с колонной Святополка-Мирского. Теперь армия Вессель-паши оказалась в окружении, и её положение с каждым часом становилось всё более безнадёжным. Только малая часть турок вырвалась из укреплённого лагеря. Русская пехота готовилась пойти на его штурм.
Вессель-паша приказал выкинуть белые флаги. В плен сдалось 22 тысячи человек с 83 орудиями, в том числе три паши и 765 офицеров. Потери побеждённых составили убитыми и ранеными тысячу человек, победителей — около пяти тысяч, в том числе 300 болгарских ополченцев. Подольский и Житомирские пехотные полки потеряли половину своих офицеров.
Так победно, хотя и кроваво, завершился переход русской армии через Балканский хребет в конце декабря 1877 года.
В предновогодний день полководец Николай Романов смог доложить по телеграфу императору Александру Романову:
— Русская армия вступила в Забалканье...
В последние дни уходящего года Николая Николаевича-Старшего радовали не только донесения из Софии и с Софийского шоссе, с Троянского перевала, от Шипки и Шейново. Перешла в наступление сербская армия, действуя успешно и доблестно. Главнокомандующий отметил в этом событии самое значимое:
— Князь Милан достоен самых высоких слов похвалы. Он обнажил меч против Турции, не дожидаясь перехода русских через Балканы...
Из сербской армии, от русского военного советника при князе Милане Обреновиче в штаб Дунайской армии в декабре месяце одно за другим шли телеграфные донесения: