В составе отряда была и научная экспедиция, руководимая Н. Северцовым. В ней участвовали Чокан Валиханов, художник М. Знаменский.

Крепость Пишпек штурмом брать не пришлось, так как ее защитники при приближении русских разбежались.

Еще в 1862 году при штурме города Г. Колпаковским вместе с гарнизоном там сдались всего 82 жителя. Так что вопрос о грабеже города сразу отпадает. Грабить и убивать было практически некого.

Военные действия пришлось вести только начиная с Аулие-Аты (Тараза), однако путь к нему лежал через населенный пункт Мерке, жители которого, узнав, что приближаются русские, убежали в Аулие-Ату, бросив все. Брошенное имущество было взято под охрану солдат и сохранено, а позже возвращено.

Военная тактика требовала преследовать отступающего противника, не давая ему укрепиться в крепости Аулие-Ата. Однако Черняев приказал остановиться в Мерке, где отряд пробыл 4 дня. Он организовывает примирительную встречу казахских биев и влиятельных киргизских манапов для решения спорных вопросов по барымте. Решение суда биев удовлетворили обе стороны, что привело к установлению мирных отношений в Чуйской долине. В этих переговорах, кстати, участвовал и Чокан Валиханов, за что был отмечен в рапорте Черняева командованию. Отступление от военной тактики привело, таким образом, к решению стратегической задачи, повышению авторитета России и закрепления русских в крае.

Крепость Аулие-Ата была взята штурмом 4 июня 1864 года лишь после отказа коменданта сдаться. Парламентером о сдаче крепости был Чокан Валиханов, он же участвовал в штурме, за что был повышен в звании. Соответствующий приказ был подписан М. Черняевым.

Однако крови защитников крепости, как и нападавших, пролилась, увы, изрядно. Возможно здесь и кроется причина отъезда Валиханова из действующей армии. Вот как описывает эти события участник похода Г. Сярковский, командир одного из штурмовых отрядов: «Потери же кокандцев весьма значительна: отрядные врачи Мациевский и Левицкий несколько дней делали перевязки раненым. К сожалению, в числе последних были женщины и дети».

«Раненым женщинам и детям офицеры давали чай, сахар; с пленными наши солдаты делились последним сухарем. Аулиеатинцы сразу оценили гуманное отношение с ними обращение: солдат иначе не называли как „тамыр“ (приятель) … Лавки на базаре были все открыты на другой день после взятия Аулие-Ата, а лепешки, жареные пирожки и вкусные, приготовленные на пару пельмени сарты (узбеки) продавали нам по неимоверно низкой цене вечером сразу же после штурма.»

Из-за отказа капитулировать кровавым был и штурм Чимкента. Чимкент считался неприступной крепостью, и первоначальный штурм был неудачным. Но русские войска нашли незащищенное место, каким являлся водопровод и проникли в крепость через сводчатое отверстие в стене крепости. Кокандцы были до того поражены неожиданным появлением русских внутри города, что их сопротивление было много меньше, чем ожидалось. Позже, как отмечают участники похода, Черняев своим благородством, полезной деятельностью и заботой о жителях способствовал забвению неизбежных жестокостей штурма.

Правительство отметило взятие Чимкента награждением Черняева Орденом Святого Георгия. Он был назначен военным губернатором Туркестанской области.

В апреле 1865 года М. Черняев двинул войска к Ташкенту, но не смог овладеть им сразу. Ташкент имел 100 тысяч населения и был сильной крепостью. Его защищал 15000 тысячный гарнизон кокандцев при 63 орудиях. Отряд Черняева насчитывал всего 2 тысячи солдат при 12 орудиях и рассчитывать на легкую победу при семикратном превосходстве противника было трудно. Тем более, что приход русских в Среднюю Азию вызвал яростное противодействие Бухарского эмира и стоящей за его спиной Англии. Назревал международный скандал.