1864年夏，切尔尼亚耶夫上校率领2500人从维尔内堡出，于6月16日攻占奥列·阿塔要塞。另一方面，维列夫金上校率领1200人从彼得罗夫斯克出，于6月25日攻占伊斯兰教在中亚的圣城土耳其斯坦。为了实现联接碉堡线的计划，7月底，沙皇政府决定建立“新浩罕线”，该线由楚河到锡尔河的阳尼·库尔干的全部堡垒组成，新晋升少将的切尔尼亚耶夫任司令。切尔尼亚耶夫立即进攻浩罕的军事重镇奇姆肯特，被浩罕汗国的摄政大毛拉阿利姆库里击退。但他在这年10月初乘阿利姆库里撤离之机攻陷该城，从而实现了锡尔河碉堡线和西伯利亚碉堡线的联接，并且继续向南推进，企图一举夺下有10万人口的中亚最大城市塔什干，未能得逞。为了“安抚”英国等西方国家，俄国外交大臣亚历山大·戈尔什科夫公爵于1864年11月21日出公告，竭力为俄国在中亚的侵略活动辩护，诡称奇姆肯特是俄军向南推进的“地理极限。”不到半年，俄军再次动进攻。当时的奥伦堡总督克列扎诺夫斯基想亲自到前线指挥，但切尔尼亚耶夫为了争功抢先率领2000俄军和12门大炮对塔什干动猛攻。
1865年4月22日先夺取了控制塔什干的咽喉要地尼阿兹别克堡，切断了塔什干居民的粮道。紧接着俄军把塔什干供水的两条渠道引开，切断了塔什干居民的水源。1865年5月，浩罕的杰出统帅不幸阵亡。6月28日，经过激烈的巷战后，塔什干沦陷。由于战术失误，武器落后30000守军竟然挡不住2000人的进攻，这次战役使沙俄在中亚的影响力大增。奥伦堡总督克列扎诺夫斯基明确指示要把中亚三大汗国中最强的浩罕当做俄国藩臣对待。并说“如果它感到委屈，那就更好办了，这给了我们彻底解决它的借口。”就在这一时期，沙俄暗中收买了浩罕的高层贵族，全力支持阿利姆库里的主要政敌浩罕阿古柏伯克入侵中国回疆，结果在中国回疆建立了所谓的“哲德沙尔汗国”。此后俄国侵略军的矛头转向布哈拉汗国，沙俄先提出布哈拉汗国在10天内交出不可能筹集到的巨额贡款，布哈拉汗国无力交出，俄军就按原定计划起进攻。在1866年5月20日伊尔加尔的战役中打败埃米尔穆扎法尔丁的军队，然后占领霍占特、乌拉·丘别、吉扎克等城，控制了布哈拉与浩罕的联系通道。
1867年7月11日成立了以塔什干为中心的土耳其斯坦总督区，由俄国陆军大臣办公厅主任，曾经担任俄占波兰的总督，号称“半沙皇”的康斯坦丁·彼得洛维奇·考夫曼任总督，从而开始了对中亚诸国征服的决定性阶段。沙俄不断挑拨各汗国之间的关系，浩罕汗国与布哈拉汗国的对抗加剧了，布哈拉埃米尔穆扎法尔丁曾两次大举进攻浩罕，从而大大削弱了浩罕汗国抵抗俄国侵略的力量。然后考夫曼对精疲力竭的浩罕汗国施加强大压力，迫使浩罕胡德亚尔汗于1868年2月签署不平等的“通商条约”，浩罕实际上变成俄国的附庸。接着全力对付布哈拉汗国，于1868年5月派3500人占领了撒马尔罕和卡塔－库尔干。
1868年6月14日，在卡塔－库尔干与布哈拉之间的吉拉布拉克高地的决战中，武器装备占有极大优势的沙俄军队再次击败人数比自己多十倍的布哈拉埃米尔的军队，其中穆扎法尔丁精锐的6000御林军死伤大半，穆扎法尔丁投降。根据7月5日的和约，布哈拉承认霍占特、乌拉·丘别和吉扎克并入俄国，割让撒马尔罕和卡塔－库尔干,赔款50万卢布。布哈拉沦为俄国附庸。然后是希瓦汗国。1869年，沙皇政府在里海东南岸的红水湾建立克拉斯诺沃斯克城，作为从里海东南岸进攻希瓦和土库曼的基地，而且并不放松对中国回疆的继续入侵，由于不满足对阿古柏政权的幕后指挥，防止英国在中亚势力的不断加强，沙皇政府捍然决定派兵入侵中国回疆的伊犁地区。借口就是把不堪受沙俄压迫奴役迁徙到中国境内的哈萨克人的一支称为“逃犯”追剿。
1871年5月考夫曼下令七河省省长科尔帕科夫斯基少将派2000俄军和13门大炮去夺取中国的伊犁。科尔帕科夫斯基公开叫嚣要占领塔城、伊犁和喀什噶尔，并在此移民。回疆各族人民在武器落后，补养不足的情况下拼死抵抗，给侵略以深重打击，沙俄侵略军猛攻50天才在7月4日攻占了伊犁。1872年亚历山大二世向考夫曼下了一道臭名昭著的命令“康斯坦丁·彼得洛维奇，去把希瓦拿来吧”。沙皇政府作出了彻底征服希瓦汗国的决定。
1873年2月沙俄侵略军在考夫曼统率下从土耳其斯坦、克拉斯诺沃斯克、曼格什拉克、奥伦堡分四路对希瓦动强大攻势，6月占领希瓦城。7～8月间，考夫曼下令对附近的和平居民土库曼约穆德人进行了灭绝人性的屠杀。8月24日签订俄希和约，希瓦汗国割让阿姆河右岸的全部土地,赔款220万卢布，穆罕默德·拉希姆·巴哈杜尔汗成为“全俄皇帝的卑顺奴仆”。1875～1876年，浩罕爆了民族大起义，浩罕、纳曼干、安集延和马尔戈兰等地人民对沙俄侵略动了“圣战”。沙俄军队在斯科别列夫少将率领下对这次起义进行了血腥镇压，俄军血袭了整个费尔干纳盆地，仅在安集延一地，斯科别列夫指挥俄军用大炮猛轰，安集延城基本被轰平，2万多起义被埋葬在废墟下。
1876年2月7日俄军占领了浩罕城，3月2日沙皇俄国正式宣布吞并浩罕汗国，改为由斯科别列夫为省长的费尔干纳省，从而完成了对中亚三大汗国的征服。其中布哈拉和希瓦两个汗国名义上还被保留（到十月革命后的1920年才正式取消称号），实际上完全成了任沙俄摆布的奴仆。就在这一年斯科别列夫还组织了阿赖远征军，越过了阿赖岭，占领了吉尔吉斯（柯尔克孜）额德克纳的领地阿赖谷，为进一步侵占中国领土帕米尔高原打开了通道。从1877年起，俄国对土库曼地区动了全面进攻，同时俄国对与中亚国家有着千丝万缕联系的土耳其奥斯曼帝国动了大规模战争。在土库曼1879年9月，俄军在攻打阿哈尔·捷金绿洲的重镇格奥克·帖佩时，遭到英勇的土库曼人的沉重打击狼狈窜回。
1880年2月，亚历山大二世召开御前会议，决定必须征服土库曼全境，在召见斯科别列夫时，指出：“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表示，而且可能使俄国所受损失比全部远征都大得无法估量。”沙俄抢修了从里海东岸到阿哈尔·捷金绿洲的军用铁路，并征用了大量的骆驼，使俄军能得到大批装备和给养。
1880年底，镇压浩罕起义的刽子手斯科别列夫率领11000人的大军带着97门大炮再度大举入侵土库曼，土库曼人在武器落后，工事简陋的情况下殊死抵抗，在俄军重炮连续轰击下，坚持了3个星期。俄军死伤1200多人才在1881年1月12日攻占了格奥克·帖佩。俄军不分男女老幼，又疯狂残杀了没有来得及撤离的8000名土库曼帖克人。接着俄军继续进攻占领了阿什哈巴德（今土库曼斯坦都）。1884年初，俄军攻占了通往伊朗和阿富汗的枢纽，土库曼人的最后一座重要城镇梅尔夫城。俄军从梅尔夫城沿着穆尔加布河继续向南推进到阿富汗边境的库什卡河谷。由于库什卡离被称为里海、阿姆河、印度河之间的战略要地英国控制的赫拉特仅70英里，英俄矛盾极度紧张，战争一触即。两国经过激烈谈判最后妥协，俄国得以完全占领了土库曼斯坦，库什卡成为俄罗斯帝国和后来的苏维埃社会主义共和国联盟领土的最南端。在最后完成对中亚诸国的征服时俄国加紧了对中国回疆的侵略，1881年签订《中俄伊犁条约》，虽然收回了伊犁，但割去伊犁西部霍尔果斯以西的大片中国领土。以后又陆续迫使清政府签订了《伊犁界约》、《喀什噶尔界约》、《科塔界约》、《塔尔巴哈台西南界约》、《续勘喀什噶尔界约》等5个勘界议定书，又强行割占了中国桑泊东南、霍尔果斯河以西、特穆尔图淖尔东南、阿克赛河源、阿赖山区等共7万多平方公里的土地。在1892年强占帕米尔萨雷阔勒岭以西2万多平方公里的中国领土，从而实现了对中亚390万平方公里的征服。
沙皇俄国在征服中亚后，主要是采取军政合一的管理办法来进行殖民统制，由俄**人如切尔尼亚耶夫、斯科别列夫之流来担任中亚各地方的主要行政长官，对于一些较小的官职，像乡长、村长等职则由当地的贵族、富人来担任。为巩固其在中亚的统治，同时也为缓解农奴制改革后国内土地的“紧张”，俄国政府还向中亚地区开展了移民活动。俄国殖民当局将游牧民族的土地掠夺过来交给移民进行耕种。大量的牧场被改为耕地，当地的畜牧业遭到了严重的破坏。由于美国南北战争（美国南部是当时世界上重要的棉花产地）使棉花价格大涨，俄国在当地大力推广种植棉花，企图将中亚变成其棉花基地，以满足棉纺织业对棉花的需求。为了加强中亚与俄国在政治、经济上的联系，同时出于战略上的需要，俄国还在中亚修建了铁路。还兴建了一些中小型工矿企业，以掠夺中亚的资源。为满足殖民统治的需要，俄国还在中亚各地征收赋税，加重对当地人民的剥削。在推行“边区俄罗斯化”的过程中，俄国在中亚强制推广俄语，企图同化当地的少数民族。对于伊斯兰教，俄国主要采取了保持现状的政策，对宗教活动不做太多的干涉。俄国对中亚的征服虽然结束了该地区长期混乱的局面，但中亚人民所受的压迫并没有因俄国人的到来而有所减轻，反而处于俄国殖民政府与当地官吏的双重压迫之中。使这一地区变得更加贫穷和落后。为反抗俄国人的剥削和压迫，中亚人民不断举行起义，沉重打击了沙皇俄国的殖民统治。到了前苏联时期，在苏联最高意识形态负责人日丹诺夫的授意下，掀起了篡改历史的**，苏联历史学家一致声称（有很多说真话的历史学家受到严厉处分，其余的通过思想转变完全赞同莫斯科的“正确认识”）那就是哈萨克斯坦同俄国的联合，是自从16世纪末期以来哈萨克人民的最著名、最有远见的统治所一直追求的目标，是防止了‘东方野蛮国家’奴役哈萨克人，并使他们和一个比一切亚洲邻国都‘无可比拟地更为先进的文明’的国家有了密切的联系。就是制止了中国、英国和浩罕瓜分哈萨克斯坦，并为进入更进步的经济形式打开了道路。并且在叙述乌兹别克、塔吉克、吉尔吉斯和土库曼的历史也必须遵照这个大方向，必须要进一步明确阐述南高加索，中亚细亚和远东的一些区域并入俄国的进步意义。必须坚决否认东哈萨克，阿赖山区和帕米尔历史上是中国领土。一直到苏联解体，中亚各国史学家重新出版的著作才有了根本性的变化，历史终于回到了其本来的面目