Находясь под воздействием первоначальных успехов, Энвер-паша (военный министр, один из членов триумвирата, руководившего тогда страной) хотел разгромить основные русские силы у Сарыкамыша (важнейший опорный пункт нашей Кавказской армии). Противостоя возражениям некоторых генералов, он принял командование 3-й армией и разработал весьма смелый — отдающий авантюрой — план, который предполагал сковывание русских у Сарыкамыша с фронта, в то время как два корпуса должны были обойти правый фланг противника и отрезать пути отхода. Однако Энвер не учел ни особенности местности, ни времени года. В результате в ходе наступления турецкие войска страдали от неустроенности тыла и связи, отсутствия должного обмундирования (учитывая зимние условия), а также недостатка координации между наступавшими частями.
Но первоначально развернутое во второй половине декабря турецкое наступление развивалось успешно. Туркам удалось выйти русским во фланг, поставив Сарыкамышский отряд (два корпуса), возглавляемый генералом Берхманом, в тяжелейшее положение. 24 декабря А. 3. Мышлаевский и Н. Н. Юденич выехали на фронт. Первый принял общее командование операцией на себя, а Николай Николаевич временно возглавил один из корпусов.
Однако положение продолжало ухудшаться. Противник прорвался к Сарыкамышу, и его оборону пришлось спешно организовывать из запасных частей. Более того, была взорвана железная дорога, соединявшая район боевых действий с Карсом. В итоге Мышлаевский вечером 27 декабря вообще приказал пробиваться назад, а сам уехал в Тифлис (под предлогом формирования новой армии), передав командование Берхману. Под его начальством Юденич организовал оборону, получая пополнения и отбивая атаки наседающего противника. Однако и сами турки действовали недостаточно активно, страдая от снежных метелей. Вскоре они потерпели ряд локальных неудач от русских войск, что поставило крест на их грандиозных планах. 2 января русские отряды заняли стратегический перевал Бардус и отрезали тем самым 9-му турецкому корпусу путь к отступлению. А еще через два дня началось контрнаступление, в ходе которого это соединение противника было уничтожено. Преследование разбитых вражеских сил было остановлено лишь 18 января. Общие потери турок составили 70 тыс. человек (включая 30 тыс. обмороженных), у нас — 20 тыс. Успехи русской армии на Кавказе несколько облегчили положение союзников в Ираке и районе Суэца.
Так была одержана крупная победа под Сарыкамышем. И хотя вряд ли ее стоит приписывать исключительно полководческому таланту Юденича (который вступил в командование Сарыкамышским отрядом вместо Берхмана лишь 5 января, когда перелом уже свершился), он сыграл в ее успехе далеко не последнюю роль. Генерал непосредственно руководил войсками в сложнейших условиях, за что и был награжден орденом Св. Георгия 4-й ст. Вскоре он был произведен в генералы от инфантерии, а в феврале 1915 г. стал главнокомандующим Кавказской армией.
«Командующим армией был назначен генерал Юденич; войска приобрели веру в себя и свое превосходство над противником».
Весна 1915 г. ушла на реорганизацию войск армии, а также их пополнение. Правда, Ставка, считая этот фронт второстепенным, направляла на Кавказ практически необученных новобранцев, которые в результате составили более половины всего личного состава. Однако это не мешало Николаю Николаевичу успешно действовать летом 1915 г. Победы, достигнутые им на этом театре боевых действий, особенно ярко смотрелись на фоне Великого отступления на европейском фронте.
В мае в наступление перешел левый фланг Кавказской армии в районе озера Ван и тем самым спас тысячи армян от гибели в ходе устроенного турками геноцида. А в июне туркам было нанесено окончательное поражение в Азербайджане.
Однако попытки в июле развить наступление севернее озера Ван встретили серьезный отпор. Противник сумел сосредоточить крупные силы, которые неожиданно нанесли поражение 4-му кавказскому корпусу и заставили его отступить. Турки углубились в наши тылы: опять создалось критическое положение, которое было исправлено полководческим искусством главнокомандующего армией.
Несмотря на нарастание панических настроений и тревожные донесения командира 4-го кавказского корпуса, Юденич сохранял полное спокойствие: оно стало залогом дальнейших успехов. Он создал сводный отряд под начальством генерала Н. Н. Баратова, который в начале августа нанес точный и мощный фланговый удар по прорвавшимся туркам. Противник дрогнул и отступил, однако добиться его полного разгрома не удалось (в первую очередь ввиду слабой работы наших тылов). Из-за серьезной усталости войск преследование было прекращено в середине августа.