Все же командование решилось предпринять наступление теми силами, которые успели переправиться через Дунай. Для перехода через Балканский хребет был выделен сравнительно небольшой (12 тысяч солдат) отряд генерала И. В. Гурко. Его поддержали с флангов два других отряда. Отряд Гурко, действуя смело и решительно, занял 25 июня город Тырново (ныне Велико-Тырново) — старый исторический центр Болгарии. Вскоре русские овладели Шипкинским перевалом, куда выдвинулся отряд Ф. Ф. Радецкого. Отряд Гурко проделал трудный переход через Балканы и, выйдя на его южные склоны, овладел городом Эски-Загру (ныне Нова-Загора) в Центральной Болгарии. На правом фланге русская армия, заняв Никополь (ныне Никопол), на южном берегу Дуная, повела наступление на юг, но была остановлена у стен Плевны (ныне Плевен), где оборонялись значительные турецкие силы. Для развития дальнейшего наступления за Балканами русских сил было явно недостаточно. Тем временем турецкое командование перебросило из Албании сорокатысячный корпус Сулеймана-паши, и Гурко был вынужден отойти к Шипке.
Такова была ситуация на Балканском фронте, когда Верещагин вышел из госпиталя. Его рана еще полностью не зарубцевалась. Он еще не мог держаться в седле и поэтому отправился в ставку главнокомандующего в фаэтоне. Ставка находилась на правом фланге, под Плевной, которую все еще удерживала турецкая армия. Верещагин оказался свидетелем подготовки к третьему штурму Плевны. Подготовка велась из рук вон плохо, связь между соединениями была не налажена, войска предварительно не тренировались. И время для операции было выбрано крайне неудачно — накануне прошли сильные дожди, и дороги раскисли. Грязь, налипая на сапогах, затрудняла передвижение. Но главнокомандующий не принял во внимание это обстоятельство. Его заботило другое — 30 августа, день царских именин. Пусть русская армия преподнесет царю по этому случаю подарок — Плевну. Стоит ли откладывать!
Солдаты пошли на штурм Плевны под огнем турецких пушек. А царь, его брат-главнокомандующий и свитские генералы, облюбовав безопасный бугорок в отдалении от поля боя, мирно завтракали с шампанским. Свитские произносили тосты за здоровье августейшего государя и между делом поглядывали в бинокль на ход атаки. А дела под Плевной складывались неудачно. Штаб главнокомандующего не обеспечил взаимодействие флангов. Отдельные отряды, в частности отряд М. Д. Скобелева, провели штурм успешно, но не были поддержаны соседями и, понеся неоправданно большие потери, вынуждены были отойти. Третий штурм Плевны оказался безрезультатным. Эта неудача произвела на художника тяжелое, удручающее впечатление. К этому прибавилось и личное горе. Верещагин получил известие о гибели брата Сергея и о ранении другого брата, Александра. Оба отправились в действующую армию по настоятельным советам Василия Васильевича и сражались где-то по соседству. Художник особенно был привязан к Сергею, также занимавшемуся живописью.
Сергей Верещагин, вольноопределяющийся, не имевший офицерского чина, состоял ординарцем при Скобелеве-младшем и исполнял еще некоторые штабные обязанности — снимал кроки местности, участвовал в рекогносцировке сил неприятеля. Он отличался необыкновенной храбростью, был несколько раз ранен, но всякий раз оставался в строю. Делясь своим горем в письме к Стасову, Верещагин просил своего друга дать публикацию в газете в несколько строк в память убитого брата. Посмертно Сергей Верещагин был награжден Георгиевским солдатским крестом.
Александр Васильевич был человеком иного склада характера, осмотрительным, расчетливым. Это вызывало иногда со стороны художника ироническое отношение к брату. Верещагин выхлопотал разрешение отправить раненого Александра в тот самый бухарестский госпиталь, в котором сам лечился. Впоследствии Александр Верещагин дослужился до генеральского чина, проявил себя как военный писатель, оставив, в частности, воспоминания о войне на Балканах.
Об обстоятельствах гибели Сергея художник получил разноречивые свидетельства. По одному — он был зарублен шашками, по другому — убит наповал пулею. Верещагин допускал возможность, что тяжелораненый брат попал в плен и был замучен озверевшими башибузуками. Эта мысль неотступно преследовала художника. Позже, когда Плевна уже находилась в руках русских, Верещагин пытался искать под стенами города тело убитого брата. Здесь еще со дня штурма 30 августа валялось множество трупов русских солдат, уже разложившихся, испускавших нестерпимое зловоние. Страшное зрелище потрясло художника, и он не мог сдержать судорожных рыданий. Тело брата он не нашел или не сумел опознать.