Проблему надо было решать. И правительство России решило начать с Коканда, который занимал наименее благоприятную в отношении России позицию и набирал в армию наемников из Индии и Афганистана, а также — из русских пленников и бежавших из России татар, башкир и поляков из Сибири.
Отношения Коканда с Россией были натянуты уже с начала XIX в. Возводя крепости на территории подчинившихся им казахских племен и собирая с них дань, ханы Коканда практически брали (совместно с Хивой) под свой контроль уже давно налаженную торговлю России с Бухарой. Особенно страдали торговые караваны русских и бухарских купцов от воинственных набегов подчиненных Коканду казахов и формально примыкавшей к Хиве части туркменов. В ответ на это с 1824 г. в степь стали посылать русские отряды, которые возводили военные поселения, организовывали округа с выборными султанами из казахов, каковых русские уже со времен Екатерины II («богоподобной царевны киргиз-кайсацкой орды», как называл ее Г.Р. Державин в своей оде «К Фелице») считали своими подданными. Были таким образом основаны Каркаралинск и Кокчетав в 1824 г., Акмолинск в 1827 г., Сергиополь (Аягуз) в 1831 г., Кокпешты и Урдожар в 1834 г. Всего за 30 лет (вплоть до 1854 г.) была выстроена почти непрерывная цепь русских укреплений в приграничных с Поволжьем и южной Сибирью степях, а также Сырдарьинская (по реке Сыр-Дарье) и Семиреченская (от Усть-Каменогорска до Верного, т. е. Алма-Аты) линии укреплений. Все это проходило не гладко, сопровождаясь мятежами недовольных султанов или сторонников ориентации на Коканд и Хиву, столкновениями и миграциями, а иногда — перемешиванием кочующих племен и отдельных родов казахов. Постепенно система всех этих мер привела к тому, что влияние Коканда и Хивы на казахов было устранено. Тогда же начался и отход от Коканда ранее подчиненных ему киргизов, которые предпочли ханскому деспотизму российское подданство. Многие из них, ранее спустившиеся с гор в долины, уходили из Ферганской области обратно на Памир.
Ослабленное Кокандское ханство, теснимое, к тому же, соседями и провоцируемое англичанами на антирусские акции, много сил потратившее в 1839—1842 гг. на борьбу с бухарским эмиром Насруллой, стало сравнительно легкой добычей России. В 1864 г. русские войска, заняв города Туркестан, Чимкент и Аулие-Ата (ныне Джамбул), соединили воедино Сибирскую и Сырдарьинскую линии укреплений. В январе 1865 г. было создано Туркестанское генерал-губернаторство на территории от озера Иссык-Куль на востоке до Аральского моря на западе. С переходом к России Ташкента (в мае 1865 г.) и Ходжента (в мае 1866 г.) Коканд попал в полную зависимость от России. Ослабление власти хана Худояра и одновременное усиление им налогового гнета вызвали восстание 1873—1876 гг., начавшееся как выступление киргизов против непосильного бремени податей, а затем переросшее в широкое движение и против власти хана, и против русского царизма. Важную роль в нем играло мусульманское духовенство.
Летом 1875 г. хан Худояр бежал в Ташкент под защиту русских войск, а сменивший его Насреддин-бек вскоре также был свергнут за попытку договориться с русскими. Ряд успехов повстанцев во главе с наиболее авторитетным их вождем Пулат-беком (Исхаком Муллой Хасан оглы) не спасли положения. В январе—феврале 1876 г. повстанцы были разбиты русскими войсками под командованием генерала М.Д. Скобелева. Провозглашенный повстанцами хан Пулат-бек бежал, но был в марте 1876 г. схвачен и казнен. Еще раньше, в феврале того же года, Кокандское ханство было ликвидировано, а учрежденная на его месте Ферганская область включена в состав Туркестанского генерал-губернаторства.
Иной была судьба Бухарского ханства, правители которого из династии Мангытов оказались политически более гибкими. Их правление сопровождалось бесконечными восстаниями, интригами, междоусобицами и войнами эмиров с непокорными феодалами, отделившимися областями, племенами казахов и туркменов, Хивой и Кокандом. Продвижение русских в казахские степи и в пределы Кокандского ханства вызвало столкновение с бухарцами и начало войны с ними в 1866 г. После поражения под Самаркандом в 1868 г. эмир Музаффар эд-Дин (1860—1885) вынужден был признать протекторат России, согласившись на превращение Бухары в вассальное государство. По договорам 1868 г. и 1873 г. Россия согласилась оставить трон династии Мангытов, забрав себе реальную власть.
Для характеристики внутреннего положения Бухары в то время достаточно привести такой пример. Армия эмира, в значительной мере состоявшая из наемников, оказалась небоеспособна не только ввиду военного и технического превосходства русских, но и ввиду деспотизма и недальновидности эмира, жестоко (и часто неоправданно) расправлявшегося с собственными воинами. В частности, он так третировал служивших ему афганцев, что из них 400 человек во главе с Ис-кандар-ханом в самом начале войны восстали, перешли на сторону русских и в дальнейшем уже сражались на их стороне против эмира. Именно при их участии русскими был взят в 1868 г. Самарканд.
История подчинения Хивы была более длительной и запутанной. Расположенное к России ближе всех других среднеазиатских государств, Хивинское ханство раньше них начало вести переговоры о переходе в русское подданство. Однако со второй половины XVIII в. новая династия из племени Кун-грат повела более амбициозную политику, значительно усилила ханство, подчинив своей власти, помимо узбеков и туркмен, также многих казахов и каракалпаков. Это вызвало новые трения и конфликты с Россией и Бухарой, не говоря уже о постоянной борьбе с Ираном, либо поддерживавшим бунтовавших против хана туркменов, либо пытавшимся силой подчинить их власти шаха. Хива весьма настороженно следила за регулярно развивавшимися (через Астрахань и полуостров Мангышлак) русско-туркменскими связями, тем более — за военным сближением многих племен с Россией, их участием в войнах с Ираном на стороне России, а особенно, за вступлением ряда туркменских племен-абдалов, чаудоров, игдыров и других в российское подданство. Естественно ханы оглядывались на соседний Иран и прислушивались к уговорам британских эмиссаров и агентов.
Стремясь опередить англичан, русские войска высадились в 1869 г. на восточном берегу Каспия, где основали город Красноводск, ставший оплотом дальнейшего продвижения и влияния в регионе. В 1873 г. русские отряды одновременно пошли на Хиву из Оренбурга, Ташкента, Мангышлака и Красноводска. Слабое сопротивление хивинских войск было сломлено. Хан вынужден был пойти на признание вассальной зависимости от России, вдобавок уступив ей правый берег Аму-Дарьи. Однако на этом дело не кончилось. Колонизаторская грубость царских властей вскоре вызвала возмущение туркменов, особенно могучего племени текинцев, ранее хорошо относившихся к русским. Определенную роль сыграла и агентура Англии, постаравшаяся разжечь фанатизм и сепаратистские настроения феодально-патриархальной верхушки текинцев. Попытка подавить восстание текинцев в оазисе Ахал-теке, предпринятая в 1879 г. отрядом генерала Н.П. Ломакина, окончилась неудачей: безуспешно штурмуя главный оплот текинцев — крепость Геок-Теке, Ломакин понес большие потери и вынужден был отступить. Новую экспедицию в 1880—1881 гг. возглавил генерал М.Д. Скобелев, благодаря дальновидным и умелым действиям которого Геок-Тепе была взята 12 января 1881 г. 18 января 1881 г. русскими войсками был занят аул Асхабад (современный Ашхабад). В состав России впоследствии вошли также Атрек, Теджен, Мерв и Пендинский оазис (к 1885 г.). Еще раньше, в 1882 г. была образована Закаспийская область с центром в Асхабаде.
Характерно, что остальные районы Хивинского ханства, в том числе туркменские, спокойно восприняли присоединение к России. Возможно, причина была в том, что во многих случаях политика русских властей была достаточно гибкой. Сам победитель при Геок-Тепе М.Д. Скобелев писал в этой связи: «Наступает новое время полной равноправности и имущественной обеспеченности для населения, раз признавшего наши законы. По духу нашей среднеазиатской политики париев нет; это наша сила перед Англией. ...Чем скорее будет положен в тылу предел военному деспотизму и военному террору, тем выгоднее для русских интересов». И это не было лишь словами: новые порядки, о которых писал Скобелев, были тут же установлены в Ахалтекинском оазисе, бывшем до этого главной ареной боевых действий, а ряд представителей феодально-племенной знати стали офицерами местной милиции. Пятеро из них во главе с Тыкма-сардаром были приняты в Петербурге царем и военным министром.
Через весь Туркменистан прошла выстроенная в 1880 — 1888 гг. Закаспийская железная дорога. Появилось около 40 караван-сараев, открылась торговля дефицитными товарами: сахаром, стеклом, резиновой обувью, чаем, керосином. Начали издаваться первые русско-туркменские газеты, открывались гимназии, школы, больницы, аптеки. Русские врачи ликвидировали малярию и трахому. Были запрещены работорговля и аламанство (набеги с целью грабежа).
Присоединение к России вслед за казахскими и туркменскими областями всей территории Средней Азии привело ко многим изменениям и для России, и для всего региона Средней Азии и Казахстана. Россия, с одной стороны, укрепила свои международные и стратегические позиции, хотя бы временно смягчив противоречия с Великобританией. По соглашению 1873 г. Великобритания предоставляла Хивинское ханство «попечению России». А по соглашению 1885 г. Россия договорилась с англичанами об установлении российско-афганской границы, ибо прежние границы Афганистана со Средней Азией были достаточно неопределенны.