20 сентября начальник пресс-службы Минобороны Азербайджана Анар Эйвазов заявил на брифинге, что утром ВС Азербайджана уничтожили воинскую часть в селе Тонашен на севере Нагорного Карабаха, в качестве трофеев захватив шесть военных автомобилей «Урал» с боекомплектами к миномётам и четыре миномёта. По его словам, азербайджанские военнослужащие доносят до местного населения листовки с призывами «не приближаться к подразделениям армянских вооружённых сил и не поддерживать их».
Информационный центр НКР заявил, что её власти приняли предложение российских миротворцев о прекращении огня с 13.00 (9 утра по Гринвичу) 20 сентября 2023 г. В заявлении также сообщается о полном разоружении армии Карабаха и выводе тяжёлой техники с территории непризнанной республики и о том, что 21 сентября на встрече в городе Евлахе будут обсуждаться вопросы Баку «о реинтеграции, обеспечении прав и безопасности армян Нагорного Карабаха, а также вопросы обеспечения жизнедеятельности населения Нагорного Карабаха в рамках Конституции Азербайджана».
Министерство обороны Азербайджана подтвердило готовность приостановить бои, если НКР сдаст всё вооружение и тяжёлую технику, военнослужащие («включая военных ВС Армении») сложат оружие и уйдут с боевых позиций.
НКР приняло соглашение о прекращении огня, поскольку международное сообщество не смогло «остановить войну и урегулировать ситуацию». По заявлению лидера Армении Никола Пашиняна, в Нагорном Карабахе отсутствуют Вооружённые силы Армении.
В распространенном Минобороны РФ документе отмечается, что реализация договоренностей о прекращении огня будет осуществляться в координации с командованием российским миротворческим контингентом.
По данным Минобороны Азербайджана, до достижения договоренности о приостановлении боевых действий азербайджанские военные взяли под контроль более 90 боевых позиций армянских формирований.
Вскоре после вступления в силу согласованного режима прекращения огня стрельба возобновилась. Несколько городов продолжали находиться под артиллерийским обстрелом Азербайджана.
21 сентября через сутки после начала режима прекращения огня он был нарушен. МВД НКР заявило, что азербайджанские военные, нарушив соглашение о прекращении огня, обстреливают Степанакерт «из разных видов стрелкового оружия».
21 сентября в Евлахе завершились переговоры представителей НКР и Азербайджана, на фоне которых, по данным НКР, в Степанакерте возобновилась стрельба. Азербайджанскую сторону представляли назначенный «ответственным лицом по контактам с армянскими жителями Карабаха» Рамин Мамедов, Башир Гаджиев и Илкин Султанов, а армянскую — Сергей Мартиросян и Давид Мелкумян. Также в здании исполнительной власти Евлахского района, где проходила встреча, находились четыре офицера российского миротворческого контингента, которые, однако, в переговорах не участвовали и ожидали их завершения вне комнаты, где проходила встреча.
Как писал доктор Беньямин Погосян (старший научный сотрудник по внешней политике APRI Armenia, а также председатель Центра политических и экономических стратегических исследований), пока шла встреча, Азербайджан возобновил обстрелы Степанакерта, а азербайджанские войска вошли в город, подвергнув 60 тысяч жителей прямой опасности. В свою очередь Министерство обороны Азербайджана отвергло обвинения о наступлении армии республики в направлении Степанакерта.
Вечером 20 сентября омбудсмен НКР сообщил, что по состоянию на 21.30 по местному времени за два дня в ходе боевых действий в Нагорном Карабахе погибли 200 человек, 10 из которых — мирные жители. Ранения, по словам омбудсмена, получили свыше 400 человек, включая 40 мирных жителей.
По данным Министерства здравоохранения Азербайджана на 27 сентября, в ходе боёв в Нагорном Карабахе 19–20 сентября погибло 192 военнослужащих и один гражданский: 180 погибших были военнослужащими Министерства обороны, 12 — сотрудниками Министерства внутренних дел республики. Ранения, как сообщает ведомство, получили 511 военнослужащих и один гражданский.
23 сентября 2023 г. российские миротворцы расположились в пригороде Степанакерта Киркиджане.
В ходе захвата НКР азербайджанские военные и спецслужбы приступили к захвату руководства НКР.
4 октября 2023 г. в Баку официально подтвердили арест нескольких бывших руководителей бывшей НКР, среди которых три бывших президента, два бывших премьер-министра, два генерала — бывших командующих карабахской армией, один бывший глава МИД и один бывший глава парламента. И это не конец, а скорее только начало.
Баку настаивает на полной легитимности своих действий: «Арест указанных лиц в рамках возбуждённого уголовного дела <…> по фактам агрессии против Азербайджана, поощрения сепаратизма, террористических действий, совершения преступлений против мира и человечности в отношении находящихся в плену военнослужащих и гражданских лиц, военных и других тяжких преступлений служит восстановлению справедливости, и подвергать сомнению легитимность этих шагов недопустимо», — говорится в официальном заявлении МИД Азербайджана.