Для взятия Чимкента Черняев к сентябрю 1864 г. сосредоточил под его стенами отряд в 10,5 рот, 2,5 сотни казаков, 1000 ополченцев из киргизов, 13 орудий и 5 мортир. В то время Чимкент представлял собой крепость с высокой и толстой глинобитной стеной и цитаделью, господствующей над всеми окружающими высотами. Зная о десятитысячном гарнизоне крепости, имевшем артиллерию, Черняев приказал вести осадные работы. В ответ кокандцы также повели навстречу свои окопы. Работы осаждаемых и осажденных велись на близком расстоянии друг от друга. Вооруженные прикрытия русских воспользовались близостью противника и оттеснили его за крепостные стены, куда и сами ворвались на его плечах, возглавляемые подполковником Лерхе. Черняев двинул за ними остальные войска, и неприступная цитадель 22 сентября 1864 г. была взята. Неприятель бежал, трофеями русских стали знамена, бунчуки, 31 пушка и масса другого оружия.

Император Александр II пожаловал Черняеву орден Св. Георгия 3 степени, а подполковнику Лерхе — следующий чин и орден Св. Георгия 4 степени⁹².

Таким образом, была учреждена Ново-Кокандская пограничная линия, соединившая Сибирскую и Сырдарьинскую, или Оренбургскую линии. Начальником ее был назначен Черняев с подчинением генерал-губернатору Западной Сибири. Осенью 1864 г. Черняев попытался овладеть Ташкентом, но потерпел неудачу и возвратился в Чимкент.

О движениях русских войск в Средней Азии вице-канцлер князь А. М. Горчаков поставил в известность западные державы. В пространном циркуляре, разосланном 21 ноября 1864 г., он мотивировал завоевания России в Средней Азии охраной «безопасности границ» и защитой русской торговли от «набегов и грабительств». Горчаков сравнивал действия России в Азии с расширением территории США и колониальными завоеваниями Англии, Франции и Голландии, подчеркивая, что Россия не является исключением и следует по пути, уже проложенному этими государствами. В циркуляре отмечалось, что Россия не намерена переступать за Чимкент, который должен стать военным и административным центром вновь приобретенного Зачуйского края⁹³.

В соответствии с этим документом генералу Черняеву 2 февраля 1865 г. было отправлено приказание прекратить дальнейшее наступление. Однако Черняев весной 1865 г., воспользовавшись борьбой между Кокандом и Бухарой, по своей инициативе без приказа из Петербурга решил взять Ташкент. 9 мая кокандцы были наголову разбиты в 7 км от Ташкента, а их предводитель Алимкул был убит. В Ташкенте сосредоточилось свыше 30 тысяч войск и 63 орудия. Окруженный непрерывной стеной в 24 км город имел вид неправильного овала, вытянутого с севера на юг. Городская стена, кроме того, была усилена глубоким рвом и во многих местах приспособлена к артиллерийской обороне. На северо-восточной оконечности города имелась цитадель с ханским дворцом.

В городе обитало до 80 тысяч жителей. Поэтому осада Ташкента для отряда в неполных 2 тысячи человек (1951 человек) при 12 орудиях была немыслима. Зато на стороне русских, как отмечает генерал Терентьев, «была благородная привычка побеждать, беззаветная преданность начальнику и ничем несокрушимая уверенность в успехе!»⁹⁴. Черняев принял решение брать город штурмом. 15 июня около 2 часов ночи штурмовая колонна (250 человек) во главе со штабс-капитаном Абрамовым в составе полутора рот, под прикрытием темноты, незаметно приблизилась к Комеланским воротам (всего город имел 12 ворот). Русские охотники, неслышно пробравшись через лазейку, завешанную кошмою, поднялись на стену и, не дав опомниться защитникам Ташкента, отбросили их от стены внутрь города. Подоспевшие резервы и колонна полковника Краевского, выполнявшая отвлекающие маневры в 6 верстах от Кокандских ворот, после упорного боя соединились в городе. Цитадель была захвачена в 7 часов утра. В течение двух дней шла ожесточенная схватка на улицах.

17 июня Ташкент сдался. Было захвачено 16 знамен, 63 орудия и 2 тысячи пудов пороха. Русские потеряли убитыми 25 человек, раненых и контуженных 110 человек⁹⁵. Генерал Черняев за взятие Ташкента, самого крупного города Средней Азии, был награжден Александром II шпагой, усыпанной бриллиантами. Вскоре после Ташкента был взят Чиназ.

Обширное пространство от Аральского моря до озера Иссык-Куль было объединено в Туркестанскую область, военным губернатором которой стал генерал М. Г. Черняев, подчиненный как в военном, так и в гражданском отношении оренбургскому генерал-губернатору и командующему войсками Оренбургского военного округа. В сентябре 1865 г. в Ташкент прибыл оренбургский генерал-губернатор генерал-адъютант Н. А. Крыжановский⁹⁶ на встречу с жителями, которые просили о принятии их в подданство русского царя.

Руководствуясь решением русского правительства, Крыжановский объявил им, что желание их не может быть исполнено. Жителям было предложено образовать отдельное ханство под покровительством России и выбрать себе хана. Однако предложение это осталось без последствий.

В следующем году Ташкент был включен в состав России.

Примечательно, что большинство среднеазиатских феодальных властителей не только не поддерживали друг друга в борьбе с русскими войсками, а наоборот, один радовался поражению другого. Так, известный боевыми действиями в Туркестане генерал Д. И. Романовский писал: «Они не скрывают уже ненависти друг к другу, все бухарсхие и кокандские посланцы, бывшие у меня в последнее время, не раз выражали мне готовность помогать нам в случае нашего наступления: кокандцы — при наступлении на Бухару, а бухарцы — при наступлении на Коканд»⁹⁷. И не удивительно, что борьбой кокандского хана с русскими войсками воспользовался бухарский эмир. Осенью 1865 г. он овладел Кокандом.

Шедшие в это время переговоры русского командования с эмиром зашли в тупик. Посланное к эмиру генералом Черняевым посольство было задержано. Требование освободить послов Черняев подкрепил в январе 1866 г. движением войск к бухарской крепости Джизаку. Но этот зимний поход из-за недостатка фуража и полученных приказаний из Петербурга был приостановлен. Русский отряд вынужден был вернуться за Сырдарью.

Отступление отряда сильно подействовало на возбуждение фанатизма в Бухаре. Когда весною того же года вместо Черняева губернатором Туркестанской области назначили генерала Д. Н. Романовского, нельзя уже было избежать войны с Бухарой.

Эмир Бухарский двинул к Ташкенту 35-тысячное войско. Романовский встретил его 6 мая с трехтысячным отрядом на Ирджаре (на Сырдарье, ниже г. Ходжента) и полностью разгромил. 24 мая был взят Ходжент⁹⁸, а в октябре с приездом к отряду генерала Крыжановского, покорены сильные крепости Ура-Тюбе и Джизак.

В Петербурге, однако, сочли эти действия нарушением данных Крыжановскому предписаний и, изъяв Туркестанский край из подчинения оренбургскому генерал-губернатору, образовали в 1867 г. из всех земель, занятых с 1847 г. в киргизских степях и в кокандском ханстве, Туркестанское генерал-губернаторство с центром в Ташкенте. Конкретно в это генерал-губернаторство вошли бывшая Сырдарьинская линия, Туркестанская область и Семиречье. Генерал-губернатором и командующим войсками Туркестанского военного округа 14 июля 1867 г. стал генерал-адъютант К. П. фон Кауфман. Ему были даны широкие полномочия вести переговоры с соседними владениями, объявлять войну и заключать мир⁹⁹. Сам факт введения института генерал-губернаторства в Туркестане Д. А. Милютин оценил как «верный и решительный шаг в нашей политике в этой части света»¹⁰⁰.

26 марта 1867 г. Александр II принял в Зимнем дворце депутацию из новоприсоединенного края, прибывшую в Петербург для изъявления императору верноподданнических чувств. Адрес от жителей края с выражением преданности и признательности русскому царю, принявшему их в свое подданство, преподнес депутат от города Туркестана, шейх Ислам, потомок султана Азрета, гробница которого, находящаяся в этом городе, считается мусульманской святыней.