Гренадерская бригада генерала Майделя, располагавшаяся на правом фланге русских, поднялась по крутому склону, который вел к Тахмасп-Табия, и в 5 часов утра пошла в атаку (хотя ее начало было запланировано на час раньше). Несмотря на сильный шрапнельный и ружейный огонь турок, эриванские гренадеры в ходе штыковой атаки заняли линию траншей, тянувшихся от Тахмасп-Табия до Каре-Чая. Однако мингрельцы, которым поручили захватить этот редут, не сумели подняться на его стены (не было лестниц) и с большими потерями были отброшены назад. Другие части, которым удалось прорваться в пространство между фортами Тахмасп и Вели-Паша, попали под огонь пушек, установленных на последнем форте, и тоже понесли тяжелые потери.
Таким образом, развить успех колонны Майделя на правом фланге не удалось, а на левом фланге войска Ковалевского потерпели поражение. В темноте Ковалевский вывел своих людей к центральной части линий Реннисона, хотя ему было велено атаковать северо-западный край Сорахской позиции. Виленский полк оказался в полукруге сильнейшего огня и за несколько минут был выкошен почти полностью. Белевский полк, атаковавший слева от Виленского, тоже понес большие потери. Остатки обоих полков отступили в овраг, откуда начали свою атаку. Левый фланг не имел сил для возобновления штурма. Сам Ковалевский был убит.
Средняя колонна, в состав которой входили Тульский и Рязанский полки, должна была оказать поддержку Ковалевскому и Майделю, но приказ был сформулирован не очень четко. Два батальона Тульского полка отступили вместе с Белевским полком, который располагался у них на левом фланге, а остальная часть колонны, добившаяся некоторого успеха в наступлении на Юксек-Табия, была контратакована турецкой пехотой (под командованием Тисдейла) и стала отступать вместе с людьми Майделя.
При ярком солнечном свете наступившего дня Муравьев понял, что эффекта внезапности добиться не удалось, но продолжал настаивать на штурме Тахмасп-Табия. Тем временем Белостокскому полку (генерал Базин) при поддержке драгун и казаков генерала Бакланова удалось на горах Чакмак проникнуть на территорию Английских линий, откуда турки в беспорядке бежали в форт Вели-Паша. Однако Муравьев бросил все свои резервы в атаку на Тахмасп-Табия, и Базин не смог развить свой успех. Опасаясь контратаки турок, он отошел, понеся незначительные потери. В ходе последней атаки двух резервных батальонов, которые повел в бой полковник Кауфман (позже – победитель Туркестана), русские проникли в тыл Сорахской позиции, где пехота попала под огонь орудий форта Вели-Паша и была вынуждена отступить под укрытие склонов долины Чакмака. Это показало, какое значение могла иметь эта долина для русской атаки, но штаб Муравьева этого не понял.
В 11 часов утра русский командующий приказал прекратить штурм и отойти на позиции, которые армия занимала перед началом атаки.
Потери русских были очень велики: Муравьев лишился 60 % своей пехоты, принимавшей участие в бою; 8 тыс. человек было убито или ранено. Турки потеряли около 1,5 тыс. человек. Вечером 29 сентября у Муравьева осталось 12 или 13 батальонов и вся кавалерия, готовая к бою, и соотношение сил у стен Карса сместилось в пользу турок.
Способ и выполнение задачи, предложенные Муравьевым, не выдерживают никакой критики. Он, как и командование союзников под Севастополем, по старинке бросал колонны своих войск под огонь современных ружей, которыми была вооружена часть защитников (стамбульские батальоны). Даже если бы русская атака удалась, захват Сорахских гор все равно не привел бы к падению Карса. Муравьев хорошо понимал, что победа даст ему лишь частичное преимущество, но он надеялся, что она позволит ему установить свои полевые орудия поближе к городу и обстреливать из них сам город, его пригороды, мост и дорогу, соединявшую крепость с юго-западными фортами. При таких условиях Вели-Паша-Табия сдался бы, скорее всего, через несколько дней. Муравьев намеревался ускорить естественный ход вещей путем дезорганизации обороны Карса, а не быстрым захватом ее цитадели.
У турок не осталось лошадей (часть из них погибла от голода, а другая была пущена на мясо во время блокады), поэтому они не могли устроить вылазку и сойтись с русскими в поле. За вылазку выступал один лишь Кмети. Британские офицеры были уверены, что огромные потери заставят Муравьева снять осаду и уйти в Александрополь.
Ошибка Муравьева заключалась не в решении штурмовать Карс, а в том, как он расположил свои войска. Исправить положение во время боя он не сумел, но проявил храбрость и рассудительность, решив продолжать осаду. Его упорство повлияло на весь ход Кавказской кампании и на позицию русских на предстоящей мирной конференции. Муравьев хорошо знал психологию османских командиров, которые предпочитали ждать развития событий, а не создавать их. Каждый прошедший день ослаблял силы и волю защитников Карса и уменьшал вероятность их успешной вылазки. Одновременно, благодаря знанию особенностей османского командования, Муравьев не боялся подхода турецких подкреплений из Эрзерума или быстрого наступления Эмир-паши в Мингрелии. Вели-паша, как и большинство турецких командиров того времени, был не солдатом, а бюрократом и карьеристом; он уже показал себя нерешительным и неспособным начальником. С амбициозным Эмир-пашой Муравьев встречался несколько лет назад и составил себе мнение, что этот офицер не захочет рисковать своей карьерой в опасных операциях в Западной Грузии; он правильно предположил, что Эмир решил устроить в Мингрелии военный парад, который компенсировал бы ему утерянные возможности отличиться в Крыму. Как бы то ни было, время для проведения успешной операции в Мингрелии ушло, несмотря на бездарные решения русского командующего Багратиона-Мухранского. Муравьев рассчитывал, что, даже если Эмир-паша прибудет в Кутаиси еще до начала затяжных дождей (то есть до середины ноября), состояние гарнизона Карса приведет к капитуляции этой крепости, что позволит ему перебросить основную часть русских войск в Сурамские горы, прикрывающие долину средней Куры и Тифлис. А тем временем, учитывая спокойную обстановку в Восточном Закавказье и отсутствие на поле боя Шамиля, Муравьев мог выделить из состава своей армии подкрепления для Багратиона-Мухранского в Мингрелии. В течение октября уставшие войска, стоявшие у стен Карса, были переведены в отличный новый лагерь, который Муравьев построил во Владикарсе, где обилие продовольствия и фуража резко контрастировало с невыносимыми условиями в осажденном Карсе.