對浩罕國的征服
1864年5月，切爾尼亞耶夫將軍率俄軍從西伯利亞出發，首先攻陷奧列—阿塔要塞。9月，攻占另一重鎮奇姆肯特要塞。
俄國的軍事行動引起歐洲各國的不安，英國表示嚴重關切，擔心俄軍的進一步行動會危及它的印度領地的安全。為打消歐洲各國的疑慮，1864年11月，俄國外交大臣哥爾查科夫發布了一封致歐洲各國的公開信稱：“俄國首腦的動機很簡單，他們只是要保證有一條有效的邊界，也就是要有一條在俄國人反抗邊境掠奪的斗爭中，能得到保護的邊界。所以俄羅斯帝國只有推進到定居國家的邊界才能停止。俄國在這些地方停下來之后，將修筑一條堡壘線來保護它的邊界。使慣于擄掠的游牧人知道，貿易比掠奪好，而且將賜予他們‘西方文明’的恩典。”
1865年1月，俄國在新占領地區成立土爾克斯坦州，由軍事總督管轄，總督負責該地區的軍政事務，對奧倫堡總督負責。切爾尼亞耶夫出任土爾克斯坦的軍政長官，全權負責對中亞南部汗國的外交、通商和軍事部署等事宜。此時，布哈拉與浩罕國的關系日益緊張，大有一觸即發之勢。形勢的發展對俄國非常有利，穆斯林汗國之間的不和為俄國的干涉提供了良機。
1865年4月，切爾尼亞耶夫調動軍隊，襲擊了尼亞茲別克要塞，隨后向塔什干推進，與浩罕國的主力部隊相遇，雙方爆發激戰，浩罕國軍隊首領庫里汗戰死，俄軍取得了戰場上的優勢。6月，切爾尼亞耶夫指揮軍隊猛攻塔什干城，守城的穆斯林軍民進行了殊死抵抗，城墻上的每一個工事都經過肉搏，每座房屋都經過白刃戰斗方才易手。經過一番慘烈的血戰，切爾尼亞耶夫指揮的俄軍占領了該城，確立了對浩罕國的保護。
俄國占領塔什干后，力圖把該城建成中亞的經濟中心，以期當地居民能從中獲得利益，將會贏得他們對俄國的好感，削弱布哈拉在當地人心中的威望。
征服布哈拉
俄國占領塔什干后，大批俄國商人進入該城，商業和貿易很快繁榮起來，使得塔什干迅速成為中亞地區的經濟中心，布哈拉的經濟因此受到很大影響。十九世紀中期以后的布哈拉，經濟發展緩慢，人民生活困苦，對本國統治者的不滿情緒日益上升，渴望生活有所改變。
1866年5月，接替切爾尼亞耶夫的俄軍將領羅曼諾夫斯基率軍占領了布哈拉的伊爾賈爾、霍占德和納烏三地。俄國人向布哈拉提出割地、賠款和通商的要求。此時的布哈拉國力孱弱，無力抵抗俄軍的入侵。不久，烏拉—秋別、吉扎克、養吉庫爾干等城相繼被俄軍占領。新占領地區被俄軍納入一個特別軍區，俄陸軍部辦公廳主任考夫曼任軍事長官。
布哈拉國內的抗俄勢力暗中積聚力量，并向浩罕國和希瓦國派出特使尋求結盟以對付俄國。1868年6月，俄軍將領考夫曼率軍擊潰了布哈拉的主力軍。與此同時，撒馬爾罕爆發反俄大起義，考夫曼聞訊迅速揮師趕往撒馬爾罕，殘酷鎮壓了起義者。6月23日，布哈拉汗國的統治者被迫與俄國簽署了協定，承認俄國對布哈拉的保護權。
征服希瓦汗國
征服了浩罕和布哈拉，希瓦就成了俄國的下一個目標。
1868年，俄軍將領考夫曼同希瓦汗國的可汗進行談判，希瓦可汗表現出堅定的獨立意志，俄國人無功而返。
俄軍積極進行征服希瓦的軍事部署。1869年11月，俄軍從高加索出兵占領里海東岸的紅水灣，完成了對希瓦的三面合圍。1872年，沙皇亞歷山大二世向考夫曼下達征服希瓦的命令。
1873年，俄軍集中一萬三千人的軍隊向希瓦汗國全線出擊，5月，希瓦首都被俄軍占領。8月，希瓦與俄國簽訂和約，承認其為俄附屬國。
征服土庫曼
俄軍占領希瓦汗國后，在中亞還剩下最后一個獨立國家，位于卡拉庫姆沙漠以南的土庫曼。
1873年，俄軍進入土庫曼，侵占了部分領土。然而，俄軍全面占領土庫曼所用的時間，比征服前面三個汗國用時要長得多。1879年，俄軍拉扎列夫將軍進攻高克切佩時，竟被土庫曼的軍隊打得大敗，沙皇政府為之震動。1880年，赴土庫曼的俄遠征軍統帥斯科別列夫將軍收到沙皇的一封訓令：“被確定了的計劃在任何情形下決不得變動，也不得后退一步，因為這對于歐洲和亞洲都會成為我們軟弱的標志，也會鼓勵我們的敵手方面更加狂妄，而且可能使俄國所受的損失比全部遠征都大得無法限量。”
1880年11月，斯科別列夫率俄軍包圍了高克切佩要塞，要塞的防御者進行了頑強抵抗，斯科別列夫下令不斷向城中炮擊。1881年1月，俄軍用地雷炸開要塞的城墻，守衛者向城外逃散，俄軍緊追不舍，不分男女老幼全部砍殺，殺死幾千人。在要塞里俄軍清點出6500具尸體，俄軍還殺死沒能逃走的全部男子，留下5000名婦女和兒童。
1884年，俄軍攻占土庫曼重要綠洲城市麥爾夫，一直推進到阿富汗邊境，其勢直逼通往阿富汗的門戶赫拉特城。俄軍若繼續南下，將直叩印度的大門了。為避免與英國發生直接沖突，俄軍沒有繼續往前推進。不久，土庫曼各地陷入困境的抵抗組織放下武器，向俄軍投降。
1887年，俄國與英國劃定了土庫曼與阿富汗的邊界。直到1895年，俄軍才結束在中亞的擴張。
