Одной из важных причин этой неудачи была несогласованность действий двух отрядов и отсутствие единого руководства. Вскоре общее руководство всех войск в Туркестане было возложено на генерал-майора М. Г. Черняева.
Для взятия Чимкента Черняев к сентябрю 1864 г. сосредоточил под его стенами отряд в 10,5 рот, 2,5 сотни казаков, 1000 ополченцев из киргизов, 13 орудий и 5 мортир. В то время Чимкент представлял собой крепость с высокой и толстой глинобитной стеной и цитаделью, господствующей над всеми окружающими высотами. Зная о десятитысячном гарнизоне крепости, имевшем артиллерию, Черняев приказал вести осадные работы. В ответ кокандцы также повели навстречу свои окопы. Работы осаждаемых и осажденных велись на близком расстоянии друг от друга. Вооруженные прикрытия русских воспользовались близостью противника и оттеснили его за крепостные стены, куда и сами ворвались на его плечах, возглавляемые подполковником Лерхе. Черняев двинул за ними остальные войска, и неприступная цитадель 22 сентября 1864 г. была взята. Неприятель бежал, трофеями русских стали знамена, бунчуки, 31 пушка и масса другого оружия.
Император Александр II пожаловал Черняеву орден Св. Георгия 3 степени, а подполковнику Лерхе — следующий чин и орден Св. Георгия 4 степени92.
Таким образом, была учреждена Ново-Кокандская пограничная линия, соединившая Сибирскую и Сырдарьинскую, или Оренбургскую линии. Начальником ее был назначен Черняев с подчинением генерал-губернатору Западной Сибири. Осенью 1864 г. Черняев попытался овладеть Ташкентом, но потерпел неудачу и возвратился в Чимкент.
О движениях русских войск в Средней Азии вице-канцлер князь А. М. Горчаков поставил в известность западные державы. В пространном циркуляре, разосланном 21 ноября 1864 г., он мотивировал завоевания России в Средней Азии охраной «безопасности границ» и защитой русской торговли от «набегов и грабительств». Горчаков сравнивал действия России в Азии с расширением территории США и колониальными завоеваниями Англии, Франции и Голландии, подчеркивая, что Россия не является исключением и следует по пути, уже проложенному этими государствами. В циркуляре отмечалось, что Россия не намерена переступать за Чимкент, который должен стать военным и административным центром вновь приобретенного Зачуйского края93.
В соответствии с этим документом генералу Черняеву 2 февраля 1865 г. было отправлено приказание прекратить дальнейшее наступление. Однако Черняев весной 1865 г., воспользовавшись борьбой между Кокандом и Бухарой, по своей инициативе без приказа из Петербурга решил взять Ташкент. 9 мая кокандцы были наголову разбиты в 7 км от Ташкента, а их предводитель Алимкул был убит. В Ташкенте сосредоточилось свыше 30 тысяч войск и 63 орудия. Окруженный непрерывной стеной в 24 км город имел вид неправильного овала, вытянутого с севера на юг. Городская стена, кроме того, была усилена глубоким рвом и во многих местах приспособлена к артиллерийской обороне. На северо-восточной оконечности города имелась цитадель с ханским дворцом.
В городе обитало до 80 тысяч жителей. Поэтому осада Ташкента для отряда в неполных 2 тысячи человек (1951 человек) при 12 орудиях была немыслима. Зато на стороне русских, как отмечает генерал Терентьев, «была благородная привычка побеждать, беззаветная преданность начальнику и ничем несокрушимая уверенность в успехе!»94. Черняев принял решение брать город штурмом. 15 июня около 2 часов ночи штурмовая колонна (250 человек) во главе со штабс-капитаном Абрамовым в составе полутора рот, под прикрытием темноты, незаметно приблизилась к Комеланским воротам (всего город имел 12 ворот). Русские охотники, неслышно пробравшись через лазейку, завешанную кошмою, поднялись на стену и, не дав опомниться защитникам Ташкента, отбросили их от стены внутрь города. Подоспевшие резервы и колонна полковника Краевского, выполнявшая отвлекающие маневры в 6 верстах от Кокандских ворот, после упорного боя соединились в городе. Цитадель была захвачена в 7 часов утра. В течение двух дней шла ожесточенная схватка на улицах.
17 июня Ташкент сдался. Было захвачено 16 знамен, 63 орудия и 2 тысячи пудов пороха. Русские потеряли убитыми 25 человек, раненых и контуженных 110 человек95. Генерал Черняев за взятие Ташкента, самого крупного города Средней Азии, был награжден Александром II шпагой, усыпанной бриллиантами. Вскоре после Ташкента был взят Чиназ.