Яростные атаки турок так и не смогли сломить стойких защитников Сарыкамыша. В осажденный город почти каждый день прибывали подкрепления — 1-я и 2-я Кубанские пластунские бригады, 154-й пехотный Дербентский и 155-й пехотный Кубинский полки, 1-я Кавказская казачья дивизия… 16 декабря турки ворвались было в Сарыкамыш, но были выбиты оттуда. А в душе Юденича росла уверенность в том, что русские войска могут взять инициативу в свои руки. «Нам мало отбросить турок от Саракамыша, — писал он Берхману. — Мы можем и должны их совершенно уничтожить. Настоящим случаем должно воспользоваться, другой раз он не повторится». В правоте своих мыслей полководец убедился уже на следующий день: 17 декабря по приказу Юденича все русские войска перешли в наступление и мгновенно превратили турок из хозяев положения в обороняющихся. За два дня в наших руках уже было больше пяти тысяч пленных и шесть трофейных орудий.
Надо отдать туркам должное — сопротивлялись они мужественно и стойко. Но это было мужество обреченных. Последней попыткой противника перехватить инициативу у русских было наступление 11-го турецкого корпуса на позиции 1-го Кавказского корпуса. Энвер-паша лично возглавлял яростные штыковые атаки своих полков. О том, насколько тяжелыми были бои, свидетельствует только один эпизод: в 14-м Туркестанском стрелковом полку из восьми пулеметов было разбито пять, погибли все пулеметчики, и на позиции остался единственный командир взвода — подпоручик Короткевич. Сжимая в правой руке «наган», а в левой — рукоять пулемета, бесстрашный офицер до последнего патрона вел меткий огонь по наступающим турецким цепям… Но ни присутствие Энвер-паши, ни невыносимо тяжелые погодные условия не помогли туркам сбить русские полки с позиций. Ударный отряд под командованием полковника Ричарда Иосифовича Термена (153-й пехотный Бакинский и 15-й Туркестанский стрелковый полки) мощной контратакой опрокинул врага, и это было началом конца 11-го турецкого корпуса…
Заключительная часть Сарыкамышского сражения уложилась в неделю — с 21 по 29 декабря. В середине этой недели, 25 декабря 1914 года, на основании положения о полевом управлении войск главнокомандующий Отдельной Кавказской армией граф И.И. Воронцов-Дашков назначил Н.Н. Юденича командующим Сарыкамышским отрядом — таким образом, он получил уже официальное право самостоятельно продолжать операцию, не завися от решений Берхмана.
Надо сказать, что преследование противника происходило в тяжелейших условиях — по труднодоступным горным дорогам, в мороз и метель. Так, бойцы 18-го Туркестанского стрелкового полка под командованием полковника Стефана Антоновича Довгирда пять суток шли в снегу выше человеческого роста при 20-градусном морозе, преодолевая максимум два километра в день… Зато и разгром противника оказался полным. Блестящий подвиг совершил командир 14-й роты 154-го пехотного Дербентского полка капитан Тарас Давидович Вашакидзе, возглавлявший небольшой отряд из сорока солдат. Штыковым ударом взяв восемь турецких орудий и четыре пулемета, он захватил в плен командира 9-го турецкого корпуса Исхан-пашу с его штабом, начальников трех турецких дивизий, 107 офицеров и две тысячи рядовых. Вашакидзе не сразу понял, кто именно перед ним, — настолько оборванными и подавленными выглядели турецкие генералы и офицеры, жавшиеся к разложенным в снегу кострам. Будучи окружен многократно превосходящими силами противника, Вашакидзе заявил, что он — парламентер и что если турки не сложат оружие, находящиеся за ближайшим лесом русские полки не пощадят никого. Военная хитрость удалась блестяще — деморализованные турецкие силы безропотно сдались в плен горстке русских солдат. Т.Д. Вашакидзе, впоследствии дослужившийся до чина полковника, 7 января 1916 года был награжден за свой подвиг орденом Святого Георгия 4-й степени.
В итоге 9-й турецкий корпус перестал существовать полностью, а обмороженные и израненные остатки 10-го были добиты 23 декабря под Ардаганом 3-й Кавказской стрелковой дивизией. 27 декабря были окончательно разгромлены и остатки 11-го турецкого корпуса. К 5 января 1915 года русская армия продвинулась на 45 километров вглубь вражеской территории.
В итоге Сарыкамышской операции Отдельная Кавказская армия, отрезанная от своих баз, в тяжелейших условиях смогла полностью разгромить превосходящую ее по численности турецкую армию. Из 150 тысяч своих офицеров и солдат турки потеряли под Сарыкамышем 63 тысячи убитыми и ранеными и 15 тысяч пленными. Из 63 тысяч русских офицеров и солдат, участвовавших в операции, 20 тысяч было убито и ранено, а 6 тысяч обморожено. Погибших могло быть намного больше, но многие раненые были спасены самоотверженно трудившимися медиками русских лазаретов.