Со взятием Ура-Тюбе в руках бухарского эмира оставался еще один пункт — Джизак, владея которым, он еще мог надеяться удержать за собой долину реки Сырдарьи благодаря расположению этой крепости при выходе из ущелья на единственной дороге в Самарканд и Бухару. Ввиду неполучения к этому времени от эмира ответа на предложенные условия генерал Романовский направил свои войска к Джизаку, к которому они подошли 12 октября.
Крепость эта, окруженная тремя параллельными стенами, считалась особенно сильной, а потому штурм ее без подготовки являлся предприятием слишком рискованным, в особенности приняв во внимание, что гарнизон в ней доходил до 11 тысяч человек. После рекогносцировки и постройки батареи с 16 октября начали бомбардировку Джизака, все приемы и обороты которого указывали на присутствие в ней большого числа бухарских регулярных войск, делавших неоднократно вылазки.
Произведя обвалы стен и бреши, наши войска стали готовиться к штурму. Но так как замечено было, что к рассвету, когда обыкновенно русские начинали штурм, у бухарцев усиливался огонь, то решили изменить время и штурмовать в полдень. 18 октября две колонны капитана Михайловского и подполковника Григорьева благодаря внезапности быстро заняли стены, поднявшись на них по лестницам.
Бухарцы, по-видимому, совершенно не ожидавшие штурма днем, были застигнуты врасплох и столпились массами между внутренними двумя стенами; несмотря на отчаянное сопротивление и сильный, но беспорядочный огонь, крепость уже через час была в наших руках. Бухарцы потеряли при штурме Джизака до 6000 убитыми и ранеными, в то время как наши потери выразились в 98 человек. Трофеями были 43 орудия, 15 знамен и множество оружия. Большая часть джизакского гарнизона сдалась в плен, но часть их успела, выбравшись из крепости, бежать по направлению к Самарканду.
Но и это страшное поражение не образумило эмира, и на русские войска, стоявшие у Джизака, снова начались нападения, а сам эмир вновь стал собирать войска, высылая небольшие партии к Джизаку и призывая население к войне с неверными.
Нападения на новую русскую линию вскоре настолько участились, что, не видя возможности склонить эмира к прекращению военных действий, вновь назначенный в это время Туркестанский генерал-губернатор генерал фон Кауфман решил покончить с Бухарой, вызывающее поведение которой требовало, для укрепления русского положения в Средней Азии, нанесения полного поражения бухарским войскам. Ввиду этого русский отряд в составе 19,5 роты, пяти сотен и 10 орудий, выйдя из Джизака, направился к Самарканду, считавшемуся не столько столицей Бухарского ханства, но и священным городом в глазах всех мусульман. Эмир между тем, собрав огромную армию, около 60 тысяч человек, выслал ее к Самарканду, где бухарцы заняли находившиеся впереди города Чапан-Атинские высоты. Мусульманское духовенство призвало всех правоверных к защите священного города.
1 мая 1868 г. русские войска под командой генерала Головачева стали переходить реку Зеравшан. По грудь в воде, борясь с сильным течением, под сильным огнем бухарцев переправились роты на противоположный берег, двинулись в атаку на высоты Чапан-Ата и штыками выбили бухарцев из занятых ими позиций. Не выдержав быстрого и решительного натиска, бухарские войска стали отступать; большая часть их бросилась бежать по направлению к Самарканду, ища спасения за высокими стенами этой сильной крепости, но здесь их постигло жестокое разочарование.
Жители Самарканда, занимавшиеся торговлей и земледелием, уже давно тяготились войной, разорявшей их непосильными податями; поэтому, зная о полном спокойствии, наступившем в Ташкенте с присоединением этого города к русским владениям, и о выгодах, приобретенных мирным населением, они решили прекратить бесполезное кровопролитие; закрыв ворота Самарканда и не впустив эмирские войска, они послали в то же время депутацию к генералу Кауфману с заявлением о своем желании сдаться на милость победителей. На другой день русские войска вошли в Самарканд, жители которого открыли ворота и поднесли ключи крепости генералу Кауфману.
Но, несмотря на то что главный город ханства был во власти русских, все же нельзя было признать поражение бухарцев полным, так как эмир снова собирал свои войска в Ката-Кургане, куда присоединились к нему и части, потерпевшие неудачу под Самаркандом.
18 мая русские войска направились к Ката-Кургану; взяли его штурмом и, атаковав 2 июня массы бухарцев, занявших высоты около Зерабулака, опрокинули их быстрым и решительным натиском. Этот кровопролитный бой закончился полным поражением бухарцев, обратившихся в беспорядочное бегство; только теперь бухарский эмир, признав свое дело окончательно проигранным, вскоре подписал мирные условия.
Между тем в тылу русских войск произошли крупные события. Воспользовавшись наступлением русских к Зерабулаку, шахрисабзские беки собрали 15-тысячное войско и осадили Самарканд, в котором находились небольшой гарнизон (до 250 человек) и больные или слабосильные (до 400 человек) под общей командой коменданта майора фон Штемпеля. Целую неделю продолжалась эта осада.
Незначительное число орудий и необходимость беречь патроны создавали во время отражения штурмов особенно трудное положение: слабый огонь наш не в силах был останавливать неприятеля, продвигавшегося к крепостным стенам и даже взбиравшегося на них, откуда его приходилось выбивать штыками. Приступ следовал за приступом, и шахрисабзцы лезли на стены как бешеные. Лишь ручные гранаты, бросаемые защитниками, на время останавливали эти натиски. Несколько раз неприятель пытался зажечь деревянные ворота, а также пробовал, сделав подкоп под низ стен, опрокинуть их, открыв таким образом проход. Видя свое критическое положение, комендант через верного джигита, переодевшегося нищим, послал донесение генералу Кауфману.
Ожидание выручки снова подняло дух гарнизона, в ряды защитников которого стали все больные и раненые; но уже 4 июля неприятель, сделав пролом в стене, ворвался в крепость, хотя был выбит.
В первые же два дня гарнизон потерял до 150 человек, но, несмотря на это, майор Штемпель твердо решил не сдаваться, а в случае захвата крепостных стен запереться в ханском дворце. Для поддержания духа гарнизона он постоянно производил вылазки, поджигая ближайшие дома, которыми прикрывались шахрисабзцы. Уже на пятый день положение осажденных сделалось отчаянным: мясо было съедено, люди не спали пятые сутки, а в воде ощущался крайний недостаток. Сделав вылазку под командой полковника Назарова, защитники города получили несколько баранов и немного воды.
Наконец 7 июля, когда, казалось, сдача города была уже неминуемой, пришло известие о приближении отряда Кауфмана к Самарканду, а на другой день утром шахрисабзцы быстро отступили от крепости. Таким образом, горстка русских отстояла Самарканд, отбив до 40 приступов и потеряв в боях четвертую часть своего состава. В числе особо отличившихся были известные впоследствии художники Верещагин и Каразин, в то время служившие офицерами в туркестанских батальонах.
28 июля с бухарским эмиром был заключен мирный договор, по которому все земли до Зерабулака отошли к России, но и после этого военные действия еще не окончились; восстание наследника бухарского престола Катта-Тюры и необходимость наказать шахрисабзцев за нападение на Самарканд понудило отправить отряд генерала Абрамова для подавления разгоравшегося восстания. Разбив вначале скопища Катта-Тюры под городом Карши, а затем, в следующем году, выдержав жестокий бой с шахрисабзцами у Кули-Калянских озер, Абрамов взял города Шахрисабз и Китаб и низложил мятежных беков, бежавших в Коканд.
Этими последними военными действиями русских войск было закончено завоевание Бухарского ханства. Со смертью эмира Музафера-хана Бухара окончательно успокоилась, и в 1879 г. был заключен новый договор о дружбе, по которому Бухарское ханство было включено в русские границы с признанием им протектората России.
Покорение Хивинского ханства. После занятия русскими войсками левого берега Сырдарьи, на котором был устроен целый ряд наших укреплений, хивинский хан, все еще верящий в силу своих войск и подстрекаемый духовенством, вновь открыл военные действия против русских. Шайки хивинцев-туркмен и киргизов стали переходить Сырдарью и нападать на кочевья киргизов, числившихся русскими подданными; грабя и отбивая у них скот, они создали невозможное для мирной жизни положение.