Главнокомандующий ставил такие задачи: за 20-22 августа овладеть Ловчей, после её занятия оставить в городе гарнизоном сил до бригады, а с остальными двинуться к Плевне, поступив там в распоряжение князя Карла Румынского.
Операция была разработана в армейской штаб-квартире. Главный удар наносился по городу через Рыжую гору, после чего следовало отрезать засевшим здесь туркам путь к отступлению за реку Осму. На левом неприятельском фланге демонстративную атаку вела правая колонна генерал-майора Добровольского силой в 4 пехотных батальона с 20 полевыми орудиями. Она должна была отвлечь на себя внимание Рифат-паши от Рыжей горы.
Главный же удар по укреплениям этой высоты наносила левая колонна генерал-майора Скобелева, состоявшая из 10 батальонов пехоты, кавалерийского эскадрона, двух казачьих сотен и 56 орудий. За скобелевской колонной следовал общий резерв генерал-майора Энгмана — 11 батальонов пехоты и 16 орудий. К северу наступала Кавказская казачья бригада полковника Тутомлина (10 сотен при 6 орудиях), с юга поиск неприятеля вели две казачьи сотни.
Первой должна была наносить удар колонна Скобелева, поскольку Добровольский мог пойти вперёд без больших потерь только после взятия Рыжей горы. Атака Ловчи началась в 5 часов утра 22 августа артиллерийской канонадой из 68 орудий. Однако двинувшаяся было вперёд колонна Добровольского попала под сильный ружейный огонь, понесла урон в людях и была контратакована вражеской пехотой. Штыковым контрударом русские отбросили турок назад.
Атака двух штурмовых колонн имела в итоге успех: батальоны Рифат-паши были отброшены на левый берег реки Осмы и в сам город. Около 12 часов дня русская пехота с распущенными знамёнами и при поддержке артиллерии атаковала Ловчу. К этому времени пала оборона Рыжей горы. Неприятель в беспорядке оставил город, отойдя на укреплённую позицию севернее его.
Атака последних ловчинских укреплений началась около 14 часов дня. Особенно упорными оказались схватки за редут и рощу у мельницы. Здесь отличились под командованием Скобелева пехотные полки Калужский, Либавский и Ревельский. Когда турки обратились в бегство с поля боя, их до наступления темноты преследовали сотни Кавказской казачьей бригады.
В армейскую штаб-квартиру победное известие из освобождённой Ловчи пришло только на следующий день. Посланный генералом Имеретинским офицер с казачьим конвоем скакал всю ночь. Адъютант главнокомандующего полковник Михаил Газенкамф записал в своём дневнике:
«...Получено радостное известие о взятии Ловчи вчера: из полученных пока известий видно, что дело было ведено с толком и энергией».
Схватка за Ловчу дорого обошлась и туркам, и русским. Первые только убитыми потеряли более двух тысяч человек. Общие потери вторых составили 1700 человек. Штурм был интересен для развития тактики полевого боя тем, что русская пехота атаковала неприятеля перебежками, чего не было ни в одном воинском уставе того времени.
Николай Николаевич-Старший, докладывая на следующий день императору Александру II об исходе ловчинского дела, среди прочего заметил:
— Наш солдат, к сожалению, сам ищет лучшие способы для атаки турецких укреплений. Солдат, а не его начальники.
— Ловча что-то новое показала в тактике пехотного боя?
— Ваше величество, скобелевские нижние чины за Осмой шли на турок перебежками. Не цепью и не колоннами.
— Вы считаете, что это было нарушением устава пехотного строя?
— Да, ваше величество. Так солдат 2-й дивизии ходить в атаку не учили.
— Тогда кто их научил так воевать под Ловчей? Скобелев?
— Нет, генерал Скобелев это дело только подметил и мешать бойцам того же Калужского полка не стал. Солдаты сами определили, как можно меньше людей в бою терять.
— Значит, надо записать такое дело в наших воинских уставах. Если нам его солдат подсказывает...
Бой за город Ловчу не стал каким-то рядовым эпизодом той войны. Осман-паша, получив донесение о том, что русские подступили к этому городу, сразу понял всю опасность такого хода противника для Плевенской крепости: она отрезалась от Южной армии Сулейман-паши, сосредоточенной перед Шипкой. Плевенский гарнизон после падения Ловчи терял и последний, достаточно надёжный путь к отступлению в Балканы.