Зато благодаря тщательным мерам маскировки и выбору нетривиального направления удалось долго держать втайне от турок перемещения армии. Тем не менее к 15 декабря скрывать маневр стало невозможно: армия тропами вышла в долину Чурьяка. Гурко приступил к активным действиям. Для начала преображенцы выбили черкесов с небольшого Негошевского перевала. В это время армейская пехота заняла деревни, запиравшие выход из Чурьякской долины, а казаки проникли в долину Софии. События тут же начали развиваться стремительно. Пока основная масса отряда сосредоточивалась у Негошево, казаки потрошили турецкие тылы на шоссе, собирая трофеи и пленных.
В это время через Балканы прорвалась еще одна колонна под началом генерала Вельяминова. Этой колонне также удалось перевалить хребет, несмотря на чудовищный буран. Не всё, однако, прошло гладко. Восточнее третья колонна генерала Дандевиля не смогла преодолеть хребет. Войска потеряли более 800 (!) человек обмороженными, в пропастях погибли более 50 солдат, тем не менее пройти не удалось. Это стало серьезной проблемой: контингент за Балканами сильно ослаблялся еще до начала главных боев. Однако Гурко, разумеется, не остановил наступление, обходясь тем, что есть. Вельяминову велели сторожить тыл основных сил напротив Софии, основная же часть прорвавшихся войск энергично расширила плацдарм в сторону Араб-Конака и заняла сам перевал. К счастью, оперативная обстановка уже сама по себе работала на Гурко: турки оказались ошеломлены появлением противника с неожиданного направления, а русские вклинились восточнее Софии в боевые порядки османов и теперь заставляли солдат султана вести контратаки под винтовочным огнем. Попытки турок пробить пробку на дороге атаками из Софии захлебнулись. Гурко тут же воспользовался ослаблением противника и двинул крупные силы на саму Софию с востока. 21 декабря Гурко лично выехал к Софии. Генерал предполагал тяжелое сражение под стенами города: в Софии засело 30 таборов, прибывших из Герцеговины.
Верный себе, Гурко лично провел рекогносцировку и обнаружил, что севернее города укреплений у турок нет. Если бы Иосиф Владимирович действовал так же, как армия под Плевной, София могла бы стать ремейком той навевающей мало оптимизма операции. Однако теперь отряд Вельяминова получил приказ атаковать Софию с уязвимого направления. Вельяминов заночевал севернее Софии…
…а наутро обнаружил, что ему не с кем воевать. Турки за ночь по огням и перекличке на аванпостах установили, что их обходят и очистили Софию сами. Более того, решение об отходе принималось спонтанно, и в городе остались запасы пороха, муки, снарядов и патронов. Особенно русских впечатлила мечеть, доверху набитая 20 тысячами патронных ящиков. Преследование не удалось организовать. На то имелась уважительная причина: дорога оказалась забита отходящими турецкими лазаретами: в плен попали около 6 500 брошенных османами раненых и больных. Несчастные находились в катастрофическом положении — мертвые и еще живые вповалку, дикая антисанитария, небрежно и давно перевязанные раны. Медицинская служба в течение всей войны была ахиллесовой пятой турецкого войска, и мало кто мог рассчитывать на выздоровление, попав в такой госпиталь. Русским пришлось поручить раненых собственным врачам, как из человеколюбия, так и во избежание эпидемий.
После этого почти нечаянного успеха Гурко получил возможность наступать на восток, для соединения с отрядами Карцова и Радецкого, и на юго-восток, по следам турецких войск к Филиппополю и в перспективе — Адрианополю.
Вялая попытка турок удержаться на промежуточной позиции у Татар-Базарджика окончилась быстро и бесславно, и на ближайшие недели главным содержанием войны для отряда Гурко стали попытки хоть где-то поймать турок и навязать им решительное сражение.
Гурко не единственный преодолевал Балканы. Пока шли бои под Софией, пришли в движение отряды западнее. Карцов аккуратно и эффективно провел свою часть операции. Специфической чертой действий его отряда было активное взаимодействие с местными партизанами. Болгары и македонцы предоставили массу тягловых и вьючных животных, проводников, рабочих и вспомогательных отрядов. Подъем на Траянский перевал шел медленно, со скоростью не более 1—2 км/ч, на ужасающем морозе. Каждое орудие пришлось тянуть при помощи 47 буйволов, саперы работали без передыха. Карцов оказался серьезно ограничен по времени: восточнее, у Шипки, через Балканы прорывался сильный отряд Радецкого, и у Траянского перевала русские должны были как можно скорее перевалить хребет, чтобы отвлечь турок от места более важного удара.
Турецкие позиции удалось обойти при помощи местных проводников. Запиравший дорогу редут взяли на штык неожиданной атакой пешего батальона в тыл. В результате, потеряв чуть более сотни солдат убитыми, ранеными и обмороженными, отряд Карцова преодолел хребет и был готов продолжать наступление. Главным результатом его появления стало оттягивание некоторых турецких сил от Шипки и прикрытие тыла пробиравшихся через перевалы войск Скобелева.