И тут в ходе военных операций произошла осечка. Кавказская казачья бригада миновала стратегический пункт Плевна, не обратив внимания на то, что из Софии к нему двигался 50-тысячный турецкий корпус. Оставлять такую силу в тылу наступающих войск представлялось безрассудным. Два поспешных и плохо подготовленных штурма обернулись тяжелыми потерями. Под Плевну прибыла румынская армия, но и третий штурм обернулся неудачей и страшными жертвами. Лишь 28 ноября (10 декабря) 1877 г. измученный артиллерийским обстрелом и голодом турецкий гарнизон предпринял попытку прорыва, но почти целиком (43 тыс. солдат и офицеров) попал в плен. Вслед за взятием Плевны русские войска прорвались через хребет и разгромили турецкую группировку у выхода с перевала. Начался стремительный рывок Дунайской армии к Адрианополю и Стамбулу. В войну вновь вступила Сербия.
К объявленной Россией освободительной войне на Балканах Западная Европа отнеслась скептически, обвиняя Петербург в желании контролировать Босфор и Дарданеллы. Горчаков прилагал все усилия, стремясь не допустить вмешательства в войну Великобритании. Он заверял Лондон, что захват турецкой столицы в планы командования не входит, а вопрос о статусе проливов должен быть решен с общего согласия держав. Тщетным оказался расчет на нейтралитет Австро-Венгрии. Глава ее внешнеполитического ведомства граф Д. Андраши вел себя так, будто будапештской конвенции не существовало. Еще в ноябре 1876 г. на секретном заседании имперского совета под председательством кайзера Франца Иосифа рассматривался план похода против России, предусматривался прорыв британского флота в Черное море и как результат операции — выдворение России с низовьев Дуная и прочное утверждение там Австро-Венгрии.
В Англии сторонников войны возглавляли королева Виктория и премьер-министр Б. Дизраэли. 13 февраля 1878 г. эскадра адмирала Хорнби вошла в Дарданелльский пролив и бросила якорь. Помешать ее прорыву в Черное море не представлялось возможным, флот в Севастополе не был восстановлен, а тяжелая артиллерия у русской армии отсутствовала. Это опасное противостояние — российской армии на суше и британского флота у берега — продолжалось до подписания окончательного мира.
Австрийцы и англичане вели переговоры о военном сотрудничестве. Ни те, ни другие не собирались искать победы на российских просторах, но в качестве основного варианта действий рассматривали войну на истощение. Важным фактором, который Петербург вынужден был принимать в расчет, оставалось отсутствие у России мощного военного флота, тогда как британский флот способен был парализовать российскую морскую торговлю, заперев Босфор и Дарданеллы, перерезав все морские пути, подвергнув блокаде российские порты. Это грозило дефолтом и увеличением государственного долга, крахом преобразований и увековечением отсталости страны.
Австро-Венгрия находилась в зоне доступности для российского оружия. Но против создания какой либо угрозы для Габсбургской монархии и ее положения как великой державы выступал Бисмарк. В этих условиях и великий князь Николай Николаевич, и военный министр Д.А. Милютин пришли к выводу, что дальнейшая война бессмысленна, так как лучших результатов добиться невозможно. 19 февраля (3 марта) Н.П. Игнатьев подписал в местечке Сан-Стефано близ Стамбула предварительный мирный договор, по которому Болгария в пределах от Эгейского моря до Дуная и от Черного моря до Охридского озера получала статус автономного княжества с широкими правами, Сербия, Черногория и Румыния признавались независимыми государствами с солидным территориальным приращением, Босния и Герцеговина объявлялись автономной провинцией, в Закавказье к России отходили Батум, Ардаган, Карс и Баязид. Лондон и Вена ответили на заключение трактата нотами протеста. Особое недовольство вызывало создание так называемой «Сан-Стефанской» Болгарии. Венский двор заявил о готовности воспрепятствовать ее образованию любыми средствами, вплоть до военных. Суть англо-австрийских требований к России сводилась к проведению конгресса державами — участницами Парижского договора 1856 г. и ревизии всего текста Сан-Стефанского прелиминария.
Берлинский конгресс (1(13) июня — 1(13) июля 1878 г.) признал независимый статус Румынии, Сербии и Черногории, против чего ранее возражали все державы, кроме России. Вместе с тем намеченная в Сан-Стефано территория Болгарии была значительно урезана, причем лишь земли к северу от Балканского хребта, София и порт Варна к югу вошли в княжество, а остальные южные земли, такие, как провинция Восточная Румелия, получили ограниченное самоуправление. Австро-Венгрия приобрела право на бессрочную оккупацию Боснии и Герцеговины, а Великобритания в награду за услуги, оказанные Порте, оккупировала о. Кипр. Таким образом, власть Порты обрушилась на большей части Балканского полуострова, в Закавказье Батум, Карс и Ардаган вошли в состав России. В Петербурге считали конгресс «черной страницей» в истории российской дипломатии.