Поэтому наместник Кавказа великий князь Николай Николаевич решил отдать приказ об отступлении на исходные рубежи, дабы не обрекать кавказские части на, казалось бы, неминуемую гибель. Однако Н.Н. Юденич смог переубедить главнокомандующего продолжать операцию и, на свой страх и риск, с 13 (26) января стал готовиться штурмовать крепость. Был разработан план штурма Эрзерума, по которому главные силы Кавказской армии выполняли следующие действия: 2-й Туркестанский армейский корпус обходил на правом фланге Деве-Бойненскую позицию, 4-я Кавказская стрелковая дивизия направлялась в центре на Каргабазарское плато, а 1-й Кавказский армейский корпус на левом фланге влобовую атаковывал Деве-Бойну и Палантекен. 66-я пехотная дивизия составила резерв. Одновременно с наступлением этих соединений 4-й Кавказский армейский корпус должен был выступить на Муш и Битлис, чтобы не дать османам подтянуть дополнительные резервы к штурмуемой крепости.

Штурм начался 29 января (11 февраля) 1916 г., а через три дня российские части уже прорвали османскую оборону в районе Каргабазарского плато. «Падение Каргабазарского плато, зимой недоступного даже для коз, ошеломило командование и войска [3-й] турецкой армии и ознаменовало выигрыш Эрзерумского сражения». 3 (16) февраля Эрзерум пал. При взятии этой крепости россияне взяли в трофей: пленными 235 офицеров, 12 753 аскера и 12 знамен и 323 орудия. Сами же они потеряли только около 10 % людей – 8,5 тыс. убитыми и ранеными (по другим данным, эта цифра вместе с пропавшими без вести достигает 14,45 тыс.) и 6 тыс. обмороженными, в то время как османы – 50 %.

3(16) февраля 4-й Кавказский армейский корпус захватил Муш, а 4-го (17-го) – Битлис. При этом российские части пленили 59 офицеров, 1427 аскеров и захватили знамя и 20 орудий. После штурма крепости преследование расстроенного противника вглубь Анатолии продолжалось вплоть до 9 (22) февраля. При этом взято было еще 80 офицеров, 7500 аскеров и 130 орудий. Всего же российскими трофеями стали 20 тыс. пленных и около 450 орудий. Общий урон осман составил 60 тыс. человек. После завершения Эрзерумской операции центр Кавказской армии продвинулся на 140 верст к западу от покоренной твердыни и образовал выступ в районе Мемахатуна, вдавшись клином в расположение османских войск.

Османы настолько были ошеломлены потерей Эрзерума, что совершенно перестали проводить какие-либо активные действия на месопотамском фронте против уже надеявшихся лишь на чудо британцев из окруженного, полуразбитого корпуса Таунсенда, целиком сосредоточив свое внимание в Закавказье^>38.

Успехи россиян обеспокоили и союзников по Антанте, посчитавших, что если российская Кавказская армия и дальше продолжит в том же духе вести боевые операции, то в скором будущем Россия окажется полновластной хозяйкой судьбы османских территорий и сможет диктовать свою волю в этом отношении после окончания войны. Поэтому 4 (17) марта 1916 г. между Россией, Великобританией и Францией было подписано соглашение «О целях войны России в Малой Азии», заранее разграничивающее пределы влияния и власти каждой из сторон. Исходя из его положений Российской империи отходили проливы, Константинополь и север Турецкой Армении, кроме Сиваса^>39.

Тем временем российский Черноморский флот так и не сумел добиться полного господства над Черным морем, несмотря на свое подавляющее превосходство в силах. Османы почти беспрепятственно могли перебрасывать морским путем подкрепления для своей 3-й армии через ее главную базу и крупнейший порт – Трапезунд. Дабы прекратить это сообщение, генерал Юденич решает захватить данный город. Он разрабатывает Трапезундскую операцию, датой проведения которой одни исследователи называют 21 февраля (5 марта) – 5(18) апреля, другие – 13 (26) марта – 17 (30) мая 1916 г.