От 20 юли до септември 1877 г. съвместното руско-румънско командване предприема три неуспешни и кръвопролитни атаки срещу Плевен. След като загиват повече от 16 хиляди души руското командване взима решение да подложи града на обсада. Идеята е на талантливия военен инженер ген. Едуард Иванович Тотлебен, който обхожда руските позиции и заявява: „Четвърта атака на Плевен няма да има!“

В следващите три месеца войските на Осман паша остават изолирани в града. През октомври са освободени Долни Дъбник и Телиш. Обсадата на Плевен се затяга все повече. Османските власти реквизират от българското население в града зърнени храни, одеяла и топли дрехи. Хиляди умират от студ, глад и болести. В края на блокадата градът е почти обезлюден.

В нощта на 9 срещу 10 декември Осман паша решава да пробие блокадата и да изтегли войските си към София. В обоза има около 2 400 ранени турски войници и цялото турско население на Плевен – около 200 семейства. Като опитен военачалник Осман паша решава пробивът на обсадата да е западно от града, при река Вит.

Чак на разсъмване руснаците разбират, че турските части се прехвърлят през реката. В 10:30 часа войските на Осман паша са отблъснати и пробивът на блокадата е ликвидиран. В тези критични минути парче от руски снаряд ранява Осман паша в крака. В ранния следобед турският военачалник капитулира с цялата си армия близо до моста на р. Вит. Малко по-късно той предава сабята си на ген. Ганецки, командващ руските части между Долни Дъбник и Долна Митрополия.

На 10 декември 1877 година, след 3-месечна обсада, Плевен е освободен. На следващия ден в града пристига руският император Александър II. В къщата на плевенския търговец Иван Бацов той приема капитулиралия Осман паша и в знак на уважение към способностите му на военачалник му връща сабята с думите: „Носете я със себе си и в плен.“

Освобождаването на Плевен има изключително значение за изхода от войната. Ръцете на руското командване са развързани за бързо зимно настъпление по всички направления и около 100 хиляди руски и румънски воини са пренасочени към другите фронтове. Почти месец след падането на Плевен е освободена София, а след това и Пловдив. В края на януари руските войски влизат в Одрин. По-малко от два месеца след края на Плевенската епопея е подписано примирието между Русия и Османската империя. Става факт и Санстефанският мирен договор.