Из-за дождей и ряда других причин серьезные боевые действия на Кавказе в кампанию 1855 г. начались лишь 24 мая, когда Муравьев выступил с главными силами из Александрополя (третий год начиналась кампания таким образом). К вечеру 28 мая у селения Агджа-Кала он соединился с отрядом Ковалевского. До Карса оставалось 24 версты.
4 июня русские передовые части уже хорошо видели укрепления Карса невооруженным глазом.
Но брать Карс Муравьев не решился. Идти на штурм нельзя — а вдруг будут большие потери. Вести правильную осаду — мал осадный парк. В итоге Муравьев решил блокировать Карс. 12 июня русские войска перешли к селению Каны-Кёв в 12 верстах от Карса и в 4 верстах от Эрзерумской дороги.
Однако, несмотря на блокаду Карса, турки не только снабжали крепость продовольствием и боеприпасами, но и перебрасывали туда подкрепления. Гарнизон Карса был доведен до 26 тысяч человек. На строительстве его укреплений турки под надзором англичан трудились день и ночь.
В начале сентября 1855 г Муравьев получил почти одновременно известия о падении Севастополя и о том, что Омер-паша с 40-тысячным корпусом идет от Батума к Карсу. Волей-неволей Муравьеву пришлось начать штурм крепости, не дожидаясь Омера-паши.
На рассвете 17 сентября русские двинулись на штурм Карса. Муравьев неправильно выбрал направление главного удара, не смог организовать взаимодействие между наступающими колоннами, плохо была использована артиллерия. В результате 6-часового боя атака русских была отбита. Русские потеряли 7,5 тысяч человек, из них 2350 убитыми. Потери турок составили 1400 человек убитыми и ранеными.
Что же касается Омера-паши, то он действительно высадился в Батуме 2 сентября. Вместе с ним из Крыма было переброшено 20 тысяч турок при 37 орудиях. Там Омер-паша стал собирать турецкие части и добровольцев из горцев. К октябрю их число достигло 40 тысяч.
21 сентября Омер-паша вошел с войсками в Сухум. Правитель Абхазии Михаил Шервашидзе перешел на его сторону. Против Омера-паши был двинут из Мингрелии отряд генерал-лейтенанта князя Багратион-Мухранского (16 тысяч человек при 28 орудиях). Этому отряду удалось отвлечь на себя внимание Омера-паши. А в ноябре начались проливные дожди (район Батума — это субтропики), дороги сделались непроходимыми, а реки и ручьи вышли из берегов.
А тем временем Муравьев усилил блокаду Карса, и там начался голод, людей стала косить холера. В лагере под Карсом русские начали быстро строить теплые землянки для личного состава и крытые конюшни для лошадей. Лагерь стал походить на город, даже кто-то придумал ему название — Владикарс. Голод, холера, постройка Владикарса и отсутствие войск Омера-паши подорвали моральный дух англо-турецкого командования, и 12 ноября начались переговоры о сдаче крепости. Защитники Карса поставили лишь два условия: разрешить старшим офицерам в плену носить сабли и отпустить восвояси польских и венгерских повстанцев, служивших в турецкой армии, так как в Российской империи их ждало судебное преследование. Муравьев принял оба условия, и 16 ноября Карс капитулировал. В 2 часа дня из ворот крепости выехал престарелый Вазиф-Магомет-паша с двумя англичанами — генералом Вильямсом и полковником Леком. Всего сдалось 672 офицера и 8 тысяч солдат. Кроме того, в госпиталях Карса находилось не менее 2 тысяч человек. Несколько тысяч курдов дезертировало из Карса в ходе осады. В крепости русские нашли 136 орудия и 20 тысяч пудов (327,6 тонн) пороха.
Падение Карса открыло русским путь к Эрзеруму, но приход зимы воспрепятствовал наступлению. Муравьев оставил в Карсе бригаду пехоты, в Ардагане — три сотни казаков и ракетную команду, и отвел войска на зимние квартиры.