Карс имел запас продовольствия на 40 дней, уже в июле стал обнаруживаться его недостаток. В ноябре 1854 г. его гарнизон состоял из трех арабстанских, двух анатолийских, двух редифных пехотных полков, одного батальона султанской гвардии, двух полков арабской конницы, артиллеристов — всего 13 221 чел. На верках стояло 67 орудий, имелось 34 полевых орудия. С 1 (13) августа город был практически полностью окружен русскими постами, что заставило коменданта сократить продовольственный паек в два-три раза. Гарнизон вырос за счет племенных ополчений лазов, население города — за счет собравшихся за стены жителей деревень. Впрочем, после начала блокады и голода и те, и другие начали разбегаться. В турецкой крепости стали проявляться признаки наступающего голода, начались эпидемии и дезертирство. Уже с середины августа из города ежедневно стали перебегать в русский лагерь солдаты, башибузуки, простые жители. Попытка прорваться на Эрзерум, предпринятая 2,5-тысячным отрядом в ночь с 22 на 23 августа (с 3 на 4 сентября) завершилась полной неудачей.
В сентябре уже сотнями падали от бескормицы лошади, количество беглецов росло с каждым днем. Вильямс поддерживал дисциплину в крепости строгими карательными мерами и распространением слухов о скорой помощи. Кстати, он запретил туркам рубить головы пленным, что немало их удивило. Запрет компенсировался добиванием раненых — турки не вызвали симпатий у своих английских руководителей. Постепенно надежда на выручку, о которой говорили командиры в крепости, покидала голодающих. К голоду быстро добавился и холод. Уже в сентябре началось похолодание, что сказалось и на лагере осаждающих — в русской армии появились первые признаки холеры. Для того чтобы исключить возможность облегчения положения осажденных, Муравьев приказал задерживать на аванпостах беглых и после допроса возвращать их назад, исключение делалось только для христиан, которых отправляли в русский лагерь.
По турецким планам, помощь должна была прийти из Аджарии. 2 (14) сентября в Батуме высадился 8-тысячный корпус Омер-паши, вскоре увеличенный до 25 тыс. чел. Русское командование ожидало, что естественной для него целью станет Ахалцих, ближайший к Батуму центр в тылу блокирующей Карс русской армии, и Абхазия, где турки рассчитывали получить помощь от горцев и значительно увеличить численность своей армии. Большие надежды они возлагали на Абхазию. Ее владетельный князь М. Г. Шервашидзе видел, насколько усилились турки, но не потерял веры в силы русских. Будучи человеком скрытным и осторожным, он делал всё возможное, чтобы усидеть на двух стульях. К счастью, ему это вновь не удалось сделать — черкесские племена категорически отказались подчиняться туркам, и тем более англичанам и французам. Более удачно действовали англичане. Их офицеры активно работали и в тылу осажденного Карса, под Эрзерумом. Им даже разрешалось обещать местным христианам, что в будущем они получат равные с турками права (иначе невозможно было эффективно организовать работы по строительству укреплений).
Новость о высадке армии Омер-паши пришла в Карс практически одновременно с известием о падении Севастополя. Гарнизон крепости ликовал, моральное состояние его значительно улучшилось. Те же самые новости повлияли и на решение генерал-адъютанта Муравьева отказаться от первоначального плана — склонить крепость к сдаче осадой. Опасаясь угрозы с тыла и желая компенсировать впечатление, произведенное в Малой Азии и Закавказье новостью об успехах союзников в Крыму, он решил ускорить события. Приходилось учитывать и колебания Тегерана: в русский лагерь под Карсом стали приходить слухи о высадке англичан в Персидском заливе. Кроме того, на решение, по мнению начальника штаба корпуса, повлиял и тот факт, что «генералы, начальники полков и батарей и войска желали и домогались приступа. Муравьеву трудно было не уступить общему стремлению». Войска застоялись и ждали приказа начать штурм от своего начальника.
15 (27) сентября Муравьев созвал военный совет, на котором было принято решение атаковать крепость — он считал возможным появление Омер-паши под Карсом через неделю и не хотел оказаться между двумя вражескими армиями. Против атаки выступили единицы, как, например, генерал-майор Я. П. Бакланов.
Утром 17 (29) сентября 1855 г. начался штурм. Поначалу атака развивалась успешно, отлично действовала наша артиллерия, была взята первая линия укреплений противника, захвачено 12 орудий, 2 знамени, значки, но вскоре дела приняли дурной оборот. Успех наступления зависел от внезапности, между тем Вильямс держал гарнизон в постоянной готовности — большая часть его пехоты находилась на позициях, что, несомненно, помогло туркам удержать оборону. Исключительно эффективно действовали турецкие артиллеристы и штуцерники. Русские войска шли вперед, не считаясь с потерями, что не замедлило сказаться на результате атаки.
