Для составления плана военных действий Миних в конце 1736 года отправился в Петербург. 23 января 1737 года он выехал оттуда и с дороги благодарил императрицу: «За всемилостивейшее отправление с высочайшею милостью и с полною на все его представления резолюциею и за пожалование украинскими покойного графа Вейсбаха и прочими деревнями, за которые неизреченные высокие милости долженствует он со всею фамилиею вечно бога молить и рабские службы оказывать до последней капли крови». В Глухове Миних свиделся с Леси, отдал ему составленный в Петербурге план кампании и держал с ним конференцию насчет общих действий. 40000 рекрутов пополнили армию; в Брянске усиленно работали над судами, которые должны были спуститься вниз по Днепру и действовать на Черном море. Надобно было спешить распоряжениями, потому что 12 февраля, на Масленице, неприятель переправился чрез Днепр выше Переволочны, причем истреблен был на льду реки русский отряд, состоявший с небольшим из 100 человек, но при нем находился генерал Лесли; генерал был убит, сын его взят в плен; в тот же день татары напали на подполковника Свечина; тот отбивался пять часов, до самой ночи, и отбился, причем взял В плен мурзу с тремя татарами и освободил из плена 150 малороссиян. Но 16 числа неприятель переправился обратно за Днепр, потому что полили дожди и надобно было опасаться скорого вскрытия рек. Несмотря на то, Миних был очень смущен этим событием и писал в Петербург: «Бесчисленные примеры в истории военного искусства показывают, что еще не сыскано никакой возможности границы, растянутые от двух до трехсот миль, как от Киева и от Днепра до Азова и Дона, охранить так, чтоб легкий неприятель в какое-нибудь место не прорвался, потому что если везде войско иметь, то на таком протяжении надобно его сильно раздробить». Миних жаловался также на запорожцев, которые дали знать о приближении неприятеля только 11 февраля.
После этого неприятель не появлялся более в русских пределах и дал Миниху время приготовиться к походу; целью похода был Очаков. В конце апреля войско выступило в поход в числе от 60 до 70000 человек; между именами генералов находилось давное знакомое имя – Александра Ивановича Румянцева. В 1735 году он был освобожден из ссылки, восстановлен в прежнем чине генерал-лейтенанта, получил опять Александровскую ленту, сделан астраханским, а потом казанским губернатором и назначен командующим войсками, отправленными против взбунтовавшихся башкирцев; теперь, когда бунт стих, Румянцева назначили правителем Малороссии, но скоро потом перевели в действующую армию.
Степи войско прошло беспрепятственно; только недалеко от Очакова татары выжгли степь, отчего русская армия должна была оканчивать поход в пыли и пепле. 30 июня она приблизилась к Очакову, и в военном совете было положено сделать нападение на крепость как можно скорее, чтоб гарнизон, и без того уже сильный, не дождался новой помощи от турок. В ту же ночь начаты были осадные работы, которым мешали краткость ночи и лунный свет. На другой день, 1 июля, в 6 часов утра началась сильная перестрелка, и к вечеру неприятель принужден был отступить за палисадник, а русские приступили к крепости под ружейный выстрел; урон с обеих сторон считали равным, взятых в плен не было, «ибо наше войско, а особливо козаки никому пощады не чинили». Днем турки тушили производимые русскою артиллериею пожары в городе, но в ночи произошел почти в самой средине города сильный пожар, и на рассвете 2 числа большая часть города находилась в пламени. Фельдмаршал хотел воспользоваться этим и на рассвете же приказал палить беспрестанно из мортир и пушек, сколько они снести могли, и велел подойти к городу половине армии с барабанным боем и распущенными знаменами и всеми полковыми пушками, чтоб испугать неприятеля генеральным штурмом и отвлечь от тушения огня. Это средство удалось, пожар тушили плохо, и чрез несколько часов два пороховые магазина взлетели на воздух. Между тем русское войско с правого крыла под начальством генерала Румянцева и Бирона, а с левого – Кейта и Левендаля приступило к городу так близко, что фельдмаршал принужден был подкрепить его остальным войском, которое повел сам с обнаженною шпагою в сопровождении герцога Антона Ульриха брауншвейгского. Но русские под самым гласисом задержаны были широким и столь глубоким рвом, что спустившиеся в него солдаты не могли друг другу помочь вылезти, и русское войско очутилось в 15 или 20 шагах от палисадника без всякого прикрытия под беспрестанным неприятельским огнем. Несмотря на то, «акция» в такую сильную горячность пришла, что с обеих сторон все гранаты и патроны из сум выстрелены были, так что, пока патронные ящики были привезены к осаждающим из лагеря, турки бросали лопатками, кирками, топорами, каменьями и землею, а русские отбрасывали им эти вещи обратно. Русские во время этой «акции» подались несколько назад. Так представляется дело в донесении Миниха; другие известия не противоречат донесению, но чрез прибавку некоторых черт выставляют дело резче. По одному из них войска, находясь два часа под огнем, двинулись наконец назад в значительном беспорядке; в то же время несколько сот турок сделали вылазку и убили много отступавших русских, преимущественно раненых, не могших скоро идти; если бы сераскир сделал вылазку с целым гарнизоном, то нанес бы русскому войску решительное поражение и заставил бы его не только снять осаду, но и оставить турецкие владения. Фельдмаршал был в отчаянии, думая, что все погибло. Другое известие прибавляет, что у Миниха выпала из рук шпага, и он, ломая руки, закричал: «Все пропало!» Но страшный пожар, все более и более распространявшийся в городе, поправил дело осаждающих: он нагнал на турок такой страх, что несколько тысяч конницы и пехоты бросились из города к морю, но русские, ободрившись, наступили на них с артиллериею, побили и потопили людей и лошадей. Тогда осажденные в 10 часу пополуночи убрали с валу все знамена, на одном бастионе выставили знамя и прислали фельдмаршалу янычарского офицера с просьбою прекратить неприятельские действия на 24 часа; Миних обещал исполнить просьбу, если турки отдадут одни ворота русскому караулу и пришлют аманатов, но в это самое время пришло известие, что русские гусары и козаки уже ворвались в крепость с морской стороны тем проходом, которым сераскир с пашами хотел бежать к галерам и который в смятении оставался открытым. Таким образом, Очаков был взят приступом, и сераскир опять прислал к фельдмаршалу, сдаваясь на всю его волю, прося только о пощаде жизни. Турки объявили, что в этот день, от рассвета до десятого часа, погибло более 10000 человек обоего пола как от русского огня, так от пожарного и взрыву магазинов. Победителям досталось в плен 4650 человек; русские потеряли убитыми 8 штаб-офицеров, 39 обер-офицеров, 975 нижних чинов; ранены были 5 генералов, два бригадира, 27 штаб-офицеров, 55 обер-офицеров и 2752 человека нижних чинов. «Очаковская крепость, – писал Миних, – будучи сильна сама собою и окрестностями, имея многочисленный гарнизон, 86 медных пушек и 7 мортир, снабженная провиантом и военными запасами с излишеством, имея также свободное сообщение с моря, где находилось 18 галер и немалое число прочих судов с пушками, ожидая на помощь из Бендер 30000 войска, а в августе самого визиря с 200000, могла бы обороняться три или четыре месяца долее, чем Азов, и, однако, взята на третий день. Богу единому слава! Я считаю Очаков наиважнейшим местом, какое Россия когда-либо завоевать могла и которое водою защищать можно: Очаков пересекает всякое сухопутное сообщение между турками и татарами, крымскими и буджакскими, и притом держит в узде диких запорожцев; из Очакова можно в два дня добрым ветром в Дунай, а в три или четыре в Константинополь поспеть, а из Азова нельзя. Поэтому слава и интерес ее величества требуют не медлить ни часу, чтоб такое важное место утвердить за собою, и так как огнем, кроме крепости, все разорено, то не должно жалеть денег на построение казарм, цейхгаузов, церкви, гошпиталей, магазинов, лавок и прочего, надобно прислать из Адмиралтейства великое множество архитекторов, плотников, каменщиков, также материалов; о бревнах и досках я уже писал к командующему в Малороссии князю Борятинскому и киевскому губернатору Сукину; я армиею сколько возможно стану работать, но Кабинету следует чрезвычайную помощь подать рабочими людьми и деньгами. Сегодня давал один из пленных турок, не из самых важных, 20000 рублей выкупу за себя, и надеюсь, что миллион рублей от всех пленных получить можно. В Брянске суда надобно достраивать и послать туда искусного и прилежного флагмана и мастеров; взять в службу старых морских офицеров из греков, которым Черное море известно; на порогах при низкой осенней воде большие каменья подорвать, чему я велю сделать пробу. От состояния флотилии и от указа ее величества только будет зависеть, и я в будущем году пойду прямо в устье Днестра, Дуная и далее в Константинополь».