Штаб Кавказской армии, да и сам командующий лично, приступили к детальной проработке плана штурма. Были приняты меры по инженерному оборудованию рубежей, и в конце января проведена рекогносцировка на местности. Всё это время отдельные разведывательные отряды осуществляли рейды в расположение неприятеля. Они захватывали отдельные высоты и прочно закреплялись на них. Таким образом, уже к 25 января русским частям удалось продвинуться вперёд на 25–30 км.
29 января соединения и части Кавказской армии заняли исходное положение, и в 2 часа дня начался артиллерийский обстрел крепости. Турки сопротивлялись отчаянно и не один раз отвоёвывали занятые русскими частями позиции. День 1 февраля стал переломным в штурме турецких укреплений. Русские овладели последним фортом, и колонна генерала Воробьёва начала первой спускаться в Эрзурумскую долину.
А 3 февраля крепость Эрзурум пала. В плен попали 13 тысяч солдат и 137 офицеров турецкой армии, а также были взяты 300 орудий и большие запасы продовольствия. В тот же день во всех частях и подразделениях Кавказской армии был оглашён приказ, в котором выражалась благодарность её командующего всему личному составу за мужественное выполнение своего воинского долга, а затем Юденич лично вручал Георгиевские награды отличившимся при штурме воинам. За успешное проведение Эрзурумской операции сам Юденич был удостоен ордена Св. Георгия 2-й степени.
При дальнейшем преследовании противника в ночь на 17 февраля был захвачен и город Битлис. Затем были разгромлены и части турецкой дивизии, спешившие на помощь к Битлису. Таким образом, ударный 4-й Кавказский корпус продвинулся более чем на 160 км, прочно прикрыв фланг и тыл Кавказской армии.
В период штурма Эрзурума Приморский отряд по приказу генерала Юденича сковал турок на своём направлении. С 5 по 19 февраля отряд овладел оборонительными рубежами по рекам Архаве и Вицесу, чем создал угрозу важному опорному пункту противника – Трапезунду. Успех сопутствовал отряду, и вскоре Трапезунд был взят. Теперь у русского командования появилась возможность заложить в портовом Трапезунде морскую базу снабжения правого крыла Кавказской армии.
Турки не смирились с потерей Эрзурума, но все их попытки отбить крепость потерпели неудачу.
Результаты последних наступательных операций Россия, Англия и Франция закрепили секретным соглашением в апреле 1916 года. В нём, в частности, отмечалось, что