На другой день в обширной прокламации Скобелев обратился к текинцам с увещеванием покориться. Он писал: «Белый царь столь же великодушен, многомилостив к покорным, сколько страшен врагам».
Текинцы не верили этим прокламациям. Они убили персиян, возивших эти документы.
Для подготовки к новому штурму Скобелев начал тренировать войска в действиях, применительно к конкретным условиям. Местом для этого служила одна старая усадьба (кала) в тылу лагеря. По тревоге солдаты с помощью штурмовых лестниц штурмовали ее стены, а также тренировались в пробитии брешей.
8 декабря разведка донесла о том, что к текинцам подходит подкрепление из Мерва. Для проверки этих слухов 11 декабря Скобелев послал отряд из шести рот, полторы сотни казаков при шести орудиях. Около 17 часов колонна приблизилась к крепости и сделала восемь орудийных выстрелов. Текинцы в огромном числе вышли на ее стены, а кроме того, множество всадников и пеших вышло в поле. Все они заявили, что готовы к бою и не примут предложения о мире. Скобелев не решился на штурм, и колонна вечером вернулась в лагерь без потерь.
На следующий день к Геок-Тепе был направлен новый отряд. На этот раз в его составе были три роты, одна команда «охотников», три орудия и два пулемета, а также одна сотня казаков. В 14 часов он подошел к Геок-Тепе и обстрелял северо-западный угол этой крепости.
18 декабря Скобелев с отрядом кавалерии, усиленным ракетными установками, провел разведку селения Янги-Кала. Он назначил его штурм на 20 декабря. При этом он расписал войскам тактику действий. Цепи он заменил сомкнутым строем, а одиночный огонь – огнем залповым. Он писал: «Чтобы бить противника тем, чего у него нет, – европейским боевым порядком – сомкнутым, послушным, гибким боевым порядком, дружными меткими залпами и штыком, всегда страшным в руках людей, сбитых дисциплиной, чувством долга и круговой порукой в могучее тело – колонну. Потому что текинцы, несмотря на подавляющие массы, действуют врассыпную, вразброд или отдельными кучами, мало послушными воле предводителя, а потому неспособными к единству действий и маневрированию массами».
Для штурма Янги-Кала в 7 часов утра войска построились у Самурского укрепления. После молебна, в 9 часов 30 минут, колонна полковника Куропаткина атаковала Янги-Кала с юга, а колонна полковника Козелкова – с запада.
Бой длился до 15 часов и кончился взятием селения, представлявшего огромную площадь из лабиринта глиняных стенок, превращенных в крепости строений, плотин, глубоких русел и канав. Огонь артиллерии и пехоты заставил противника отойти к Геок-Тепе. Массы текинцев, вышедшие было им на помощь из крепости, также были прогнаны за стены русской артиллерией. После этого боя Скобелев стал лагерем в километре от южного фаса крепости, между средними протоками Сакиз-Яба, заняв по флангам две усадьбы и прикрывшись авангардами.
21 декабря Скобелев с утра послал всю имевшуюся у него конницу (шесть сотен и два орудия) с генералом Петрусевичем для того, чтобы обойти Геок-Тепе с востока и севера. Текинцы, обнаружив этот маневр, завязали бой с русской конницей севернее Геок-Тепе. Обеспокоенный этим, Скобелев повел в обход западной стороны крепости еще один отряд, состоявший из батальона пехоты, сотни казаков при восьми орудиях. Когда оба отряда соединились, крепость оказалась в полном окружении.
22 декабря вечером генералы Скобелев, Гродеков, а также полковник Куропаткин, подполковник Рутковский и инженер-капитан Яблочков произвели разведку юго-восточного угла крепости. С утра следующего дня на этом направлении начались осадные инженерные работы, которые продолжались до начала января следующего года. Во время проведения этих работ текинцы совершили несколько вылазок, которые, однако, были успешно отражены. За это время русские саперы подвели под ров и стену Геок-Тепе минную галерею. В нее заложили 72 пуда пороха.
В ночь на 12 января. Скобелев отдал распоряжение о штурме. Оно гласило: штурмовать противника одновременно тремя колоннами. Одной из них должен был командовать полковник Куропаткин (11,5 роты, одна команда саперов и два оркестра), второй – полковник Козелков (8,25 роты, одна команда саперов и оркестр), третьей – полковник Гайдаров (4,5 роты, 1,5 сотни казаков, две команды саперов и оркестр). В резерве Скобелев оставил 21 роту пехоты и один оркестр. На подготовку штурма была выделена вся ночь.
Итак, непосредственно в штурме по решению командующего должно было принять участие почти 25 рот пехоты, в резерве оставалось почти столько же сил. Каждая штурмовая колонна была усилена одной-двумя командами саперов. Большое значение командующим, в духе того времени, придавалось наличию в составе штурмующих колонн полковых оркестров. Штурму должны были предшествовать отвлекающие действия колонны полковника Гайдарова, подрыв мины и получасовая артиллерийская подготовка. Затем планировался «артиллерийский огонь по северу крепости через головы штурмующих».
На следующий день, 22 декабря, как и планировалось, в 7 часов утра отряд полковника Гайдарова начал отвлекающие действия, наступая на калу Мельничную, «разбивая артиллерией ее стены и отвлекая, согласно диспозиции, туда внимание текинцев». В 8 часов 30 минут эта кала была взята. На этом направлении были сосредоточены все силы текинцев.
В 11 часов 20 минут поступило приказание Скобелева взорвать мину, а огонь артиллерии перенести на юго-восточный угол крепости. После подрыва мины в стене образовался обвал шириной около 30 метров и поднялся устойчивый столб пыли и дыма. Свидетель этого пишет: «Впечатление от взрыва мины для неприятеля было ужасное. Текинцы потеряли рассудок и не могли сообразить, что произошло; думали – землетрясение; трусы бежали из крепости. Но масса храбрецов все-таки овладела собой для боя».
Не успел рассеяться дым, как первая часть сил Куропаткина бросилась к обвалу. Текинцы, быстро оправившиеся, встретили ее огнем и врукопашную. Но они были сбиты и отошли в глубь крепости. Русские ворвались в город. Две большие группы текинцев начали отходить в пески.
Текинцы отступали двумя большими отрядами. Скобелев не мог допустить их ухода и сам принял участие в погоне. В это время произошел один памятный случай – под ноги скобелевского коня бросилась пятилетняя девочка. Михаил Дмитриевич соскочил с коня, поднял девочку, и, убедившись, что она не пострадала, велел ее отвести к себе. Позже эта девочка была передана на воспитание дочери военного министра графине Милютиной, приехавшей в русский отряд в качестве сестры милосердия. Девочку окрестили и назвали Татьяной в честь дня штурма, который состоялся 12 января, в Татьянин день. Впоследствии она воспитывалась в Московском институте благородных девиц и была известна как Татьяна Текинская.
Скобелев организовал погоню противника, которая велась на глубину до 15 верст. Правда, она не завершилась полным уничтожением текинцев. «Ночь и рассеивание противника заставили наши войска вернуться в лагерь, ведя обратно в крепость захваченные семьи текинцев». При этом штурме русские потеряли убитыми 54 человека и около 300 ранеными и контужеными. Потери текинцев достигали от 6 до 8 тысяч человек.
Официальный Петербург ликовал по поводу быстрого и успешного завершения Ахалтекинской экспедиции, которая казне обошлась всего в 13 миллионов рублей и была закончена в 9 месяцев вместо предполагаемых двух лет. За эту победу Скобелеву был пожалован орден Святого Георгия 2-й степени и чин генерала от инфантерии.