对浩罕国的征服
1864年5月，切尔尼亚耶夫将军率俄军从西伯利亚出发，首先攻陷奥列—阿塔要塞。9月，攻占另一重镇奇姆肯特要塞。
俄国的军事行动引起欧洲各国的不安，英国表示严重关切，担心俄军的进一步行动会危及它的印度领地的安全。为打消欧洲各国的疑虑，1864年11月，俄国外交大臣哥尔查科夫发布了一封致欧洲各国的公开信称：“俄国首脑的动机很简单，他们只是要保证有一条有效的边界，也就是要有一条在俄国人反抗边境掠夺的斗争中，能得到保护的边界。所以俄罗斯帝国只有推进到定居国家的边界才能停止。俄国在这些地方停下来之后，将修筑一条堡垒线来保护它的边界。使惯于掳掠的游牧人知道，贸易比掠夺好，而且将赐予他们‘西方文明’的恩典。”
1865年1月，俄国在新占领地区成立土尔克斯坦州，由军事总督管辖，总督负责该地区的军政事务，对奥伦堡总督负责。切尔尼亚耶夫出任土尔克斯坦的军政长官，全权负责对中亚南部汗国的外交、通商和军事部署等事宜。此时，布哈拉与浩罕国的关系日益紧张，大有一触即发之势。形势的发展对俄国非常有利，穆斯林汗国之间的不和为俄国的干涉提供了良机。
1865年4月，切尔尼亚耶夫调动军队，袭击了尼亚兹别克要塞，随后向塔什干推进，与浩罕国的主力部队相遇，双方爆发激战，浩罕国军队首领库里汗战死，俄军取得了战场上的优势。6月，切尔尼亚耶夫指挥军队猛攻塔什干城，守城的穆斯林军民进行了殊死抵抗，城墙上的每一个工事都经过肉搏，每座房屋都经过白刃战斗方才易手。经过一番惨烈的血战，切尔尼亚耶夫指挥的俄军占领了该城，确立了对浩罕国的保护。
俄国占领塔什干后，力图把该城建成中亚的经济中心，以期当地居民能从中获得利益，将会赢得他们对俄国的好感，削弱布哈拉在当地人心中的威望。
征服布哈拉
俄国占领塔什干后，大批俄国商人进入该城，商业和贸易很快繁荣起来，使得塔什干迅速成为中亚地区的经济中心，布哈拉的经济因此受到很大影响。十九世纪中期以后的布哈拉，经济发展缓慢，人民生活困苦，对本国统治者的不满情绪日益上升，渴望生活有所改变。
1866年5月，接替切尔尼亚耶夫的俄军将领罗曼诺夫斯基率军占领了布哈拉的伊尔贾尔、霍占德和纳乌三地。俄国人向布哈拉提出割地、赔款和通商的要求。此时的布哈拉国力孱弱，无力抵抗俄军的入侵。不久，乌拉—秋别、吉扎克、养吉库尔干等城相继被俄军占领。新占领地区被俄军纳入一个特别军区，俄陆军部办公厅主任考夫曼任军事长官。
布哈拉国内的抗俄势力暗中积聚力量，并向浩罕国和希瓦国派出特使寻求结盟以对付俄国。1868年6月，俄军将领考夫曼率军击溃了布哈拉的主力军。与此同时，撒马尔罕爆发反俄大起义，考夫曼闻讯迅速挥师赶往撒马尔罕，残酷镇压了起义者。6月23日，布哈拉汗国的统治者被迫与俄国签署了协定，承认俄国对布哈拉的保护权。
征服希瓦汗国
征服了浩罕和布哈拉，希瓦就成了俄国的下一个目标。
1868年，俄军将领考夫曼同希瓦汗国的可汗进行谈判，希瓦可汗表现出坚定的独立意志，俄国人无功而返。
俄军积极进行征服希瓦的军事部署。1869年11月，俄军从高加索出兵占领里海东岸的红水湾，完成了对希瓦的三面合围。1872年，沙皇亚历山大二世向考夫曼下达征服希瓦的命令。
1873年，俄军集中一万三千人的军队向希瓦汗国全线出击，5月，希瓦首都被俄军占领。8月，希瓦与俄国签订和约，承认其为俄附属国。
征服土库曼
俄军占领希瓦汗国后，在中亚还剩下最后一个独立国家，位于卡拉库姆沙漠以南的土库曼。
1873年，俄军进入土库曼，侵占了部分领土。然而，俄军全面占领土库曼所用的时间，比征服前面三个汗国用时要长得多。1879年，俄军拉扎列夫将军进攻高克切佩时，竟被土库曼的军队打得大败，沙皇政府为之震动。1880年，赴土库曼的俄远征军统帅斯科别列夫将军收到沙皇的一封训令：“被确定了的计划在任何情形下决不得变动，也不得后退一步，因为这对于欧洲和亚洲都会成为我们软弱的标志，也会鼓励我们的敌手方面更加狂妄，而且可能使俄国所受的损失比全部远征都大得无法限量。”
1880年11月，斯科别列夫率俄军包围了高克切佩要塞，要塞的防御者进行了顽强抵抗，斯科别列夫下令不断向城中炮击。1881年1月，俄军用地雷炸开要塞的城墙，守卫者向城外逃散，俄军紧追不舍，不分男女老幼全部砍杀，杀死几千人。在要塞里俄军清点出6500具尸体，俄军还杀死没能逃走的全部男子，留下5000名妇女和儿童。
1884年，俄军攻占土库曼重要绿洲城市麦尔夫，一直推进到阿富汗边境，其势直逼通往阿富汗的门户赫拉特城。俄军若继续南下，将直叩印度的大门了。为避免与英国发生直接冲突，俄军没有继续往前推进。不久，土库曼各地陷入困境的抵抗组织放下武器，向俄军投降。
1887年，俄国与英国划定了土库曼与阿富汗的边界。直到1895年，俄军才结束在中亚的扩张。
