Весной 1866 г. генерал Черняев был отозван, а на его место военным губернатором Туркестанской области царь назначил генерала Романовского. К этому времени война с Бухарой была уже неизбежна. Эмир собрал все свои силы вокруг Ура-Тюбе и стал лагерем посреди урочища Ирджар, на Сырдарье выше Чиназа. Там 7 мая русский трехтысячный отряд под командованием Романовского атаковал в десять раз сильнейшего противника и разбил его наголову. Эмир с остатками войска бежал в направлении к Джизаку и Самарканду. Романовский их не преследовал, а пошел на занятую бухарцами кокандскую крепость Ходжент и взял ее приступом. Последствием этого стало поздравление генералу Романовскому, принесенное кокандским ханом Худояром, освобождение русских посланцев в Бухаре и отправление в Оренбург бухарского посольства с мольбой о мире.

Во второй половине августа 1866 г. генерал Крыжановский снова приехал в Ташкент и объявил о принятии этого города в подданство России. Генерал-губернатор хотел отклонить мирные намерения ко-кандского хана Худояра, который по своему положению должен быть вассалом России. Но на переговорах в Оренбурге с бухарским послом не удалось договориться, и Крыжановский решил возобновить военные действия с эмиром, чтобы силой оружия принудить его к заключению мира и подчиниться всем предъявленным ему требованиям. Русский отряд под командованием Крыжановского вступил в бухарские владения и штурмом взял города Ура-Тюбе и Джизак. Однако в Петербурге эти действия оренбургского генерал-губернатора сочли нарушением полномочий и изъяли Туркестанский край из его подчинения. А из всех земель, занятых с 1847 г. в киргизских степях и в кокандском ханстве, образовали Туркестанское генерал-губернаторство, во главе которого поставили генерал-адъютанта Константина Петровича фон Кауфмана, назначив его генерал-губернатором и командующим войсками Туркестанского военного округа.

Туркестанское генерал-губернаторство административно делилось на две области — Семиреченскую (город Верный) во главе с военным губернатором генералом Колпаковским, и Сырдарьинскую (город Ташкент) с генералом Романовским. Войска на территории Туркестанского военного округа — 7-й Оренбургский и 3-й Сибирский линейные батальоны — развернуты в 1-ю стрелковую дивизию и 12 линейных туркестанских батальонов.

Весной 1867 г. в Петербург прибыла депутация из Туркестанского генерал-губернаторства для заявления Белому царю верноподданнических чувств. Александр II принял посланцев в Зимнем дворце 26 марта. Депутат от города Туркестана шейх Ислам, потомок султана Азрета, гробница которого, находящаяся в этом городе, считается мусульманской святыней, поднес адрес от жителей области с выражением преданности и признательности монарху, принявшему их в свое подданство. Александр II выслушал адрес и выразил удовольствие, что видит депутатов и что они, как новые подданные России, довольны нынешним своим положением. Император выразил надежду, что со временем их положение еще более улучшится. В беседе с депутатами царь осведомился о состоянии торговли в крае, о народном образовании, о положении мусульманского духовенства и собственноручно роздал пожалованные им ордена, медали и перстни.

Между тем война с Бухарой продолжалась. Летом 1867 г. бухарцы атаковали русский отряд под командованием полковника Абрамова, выставленный у Яны-Кургана.

Генерал Кауфман, прибыв во вверенный ему край, 29 января 1868 г. заключил мир с правителем Кокана, признавшим за Россией все ее завоевания. Новый генерал-губернатор не утвердил мирного договора, подписанного в Оренбурге Крыжановским с бухарским послом, а предъявил эмиру новые условия, но они были отвергнуты Бухарой.

В конце апреля 1868 г. Кауфман с четырехтысячным отрядом при десяти орудиях вышел из Ташкента к Самарканду, на подступах к которому эмир собрал шестидесятитысячное войско. 2 мая 1868 г. пехота генерала Головачева прямо на глазах у неприятеля по грудь в воде перешла реку Зеравшан и в штыковой атаке заняла высоту Чапан-Ата. Войско эмира обратилось в бегство, но самаркандцы закрыли ворота бегущим и сдались русским. Русские солдаты, перейдя реку, сразу же шли в бой. Сапоги солдат были полны воды, разуваться и вытряхивать воду было некогда, и солдаты тогда становились на руки, а товарищи при этом трясли их за ноги.

Бухарцы решили, что разгадали секрет русских. Месяц спустя, в бою при Зарабулаке, передние ряды «халатников», подойдя на ружейный выстрел, встали на руки, а задние стали добросовестно трясти их за ноги. По совершении этого обряда никто из них не сомневался в победе.

Оставив в Самарканде гарнизон, генерал Кауфман с войсками Головачева и Романовского двинулся на юг. 18 мая он разбил бухарцев при Кагга-Кургане, а 2 июня добил армию эмира в жестоком бою на Зарабулакских высотах. В этой битве приняли первое боевое крещение игольчатые винтовки Карле. Плотные ряды бухарцев винтовочный огонь косил, как траву. Эмир потерял здесь около десяти тысяч своих воинов. Потери русских составили всего 63 человека. Всего же в этом бою против двух тысяч русских эмир выставил 35 тысяч. Потрясенный эмир запросил аман. Бухара признала над собой протекторат России, уступила России Самарканд и все земли до Зарабулака.

В этот день решительной битвы, 2 июня, в русском тылу восстал Самарканд. К восставшим присоединились отряды воинственных горцев-шахрисябцев, и пятьдесят тысяч повстанцев атаковали цитадель, где засел русский гарнизон майора Штемпеля. Шесть дней семьсот защитников самаркандской крепости отбивали приступы повстанцев. Лишь 7 июня вернувшийся из-под Зарабулака Кауфман деблокировал гарнизон. Потери русских составили 150 человек убитыми и ранеными.

2 июня 1868 г. бухарский эмир Музаффар прислал Кауфману послание. Эмир собирался отречься от престола и просил разрешить ему паломничество в Мекку. Генерал-губернатор успокоил Музаффара и заявил, что не собирается лишать его власти. Через десять дней был заключен русско-бухарский мирный договор на условиях Кауфмана. Бухара должна была выплатить России контрибуцию — 500 тысяч рублей. До полной выплаты контрибуции Самарканд и Кагга-Курган с окрестностями включались в состав русских владений как новый Зеравшанский округ. Коканд и Бухара предоставляли русским подданным право свободной торговли в своих владениях и обязались обеспечивать их безопасность и не препятствовать сооружению торговых складов. Причем пошлина с русских товаров оставалась неизменной и определялась в 2,5 % их стоимости.

Узнав о договоре с бухарским эмиром, князь Горчаков вновь запаниковал и стал стращать царя гневом Альбиона. В результате в августе 1868 г., когда Кауфман выехал из Ташкента в Петербург для личного доклада, на одной из почтовых станций в степи его встретил фельдкурьер с категорическим предписанием царя немедленно вернуть Самарканд и Катта-Курган бухарскому эмиру. Генерал-губернатор прочитал предписание и, не сделав никакого распоряжения, двинулся дальше.

Во время аудиенции у Александра II Кауфман прямо заявил, что отдать Самарканд и другие завоеванные города и кишлаки значит резко уронить престиж России в глазах местных правителей и населения. Всерьез после этого ни к каким российским требованиям относиться не будут и всегда будут сравнивать Россию с Англией, которая никогда так себя не ведет. Александр II, выслушав, смягчился и приказал: «Пойди и скажи все это Горчакову». Канцлеру ничего не оставалось, как принять к сведению волю императора и скрыть свою досаду.