С 3 июля по 4 августа русские стояли на месте и вели наблюдение с Караяла. В тот же самый период турки не спеша продвигались в направлении русской границы. К середине июля они перебросили основную часть своих сил в окрестности Хадживели; их палатки были разбросаны на плато, которое полого поднималось к склонам Аладжи-Дага. Их фронт протягивался на расстояние 13–16 км от Куры направо, до двух высот, которые назывались Большая и Малая Ягны – слева.
Обе армии в течение примерно трех недель вели наблюдение друг за другом, не начиная сражения. Произошло лишь несколько стычек между патрулями. Командующие обеих сторон сомневались в исходе битвы и ждали осени, чтобы вернуться на свои квартиры. Однако и Тифлис, и Стамбул проявляли недовольство затянувшимся бездействием армий; наконец иностранные советники сераскира убедили его начать боевые действия.
В ночь с 3 на 4 августа русские патрули доложили о том, что турецкие грузовые караваны движутся в сторону Карса. Подумав, что турки начали отступление, и желая положить конец обвинениям в бездеятельности, Бебутов решил преследовать врага. В ночь с 4 на 5 августа русские караваны ушли в сторону Александрополя, и на рассвете 5 августа Бебутов отдал приказ об общем наступлении. Вскоре русская армия встретилась с наступающей турецкой и в Куру-Дере (как и в Башгедиклере годом раньше) произошло сражение.
Генеральный план этой битвы (как и за год до этого) составил английский солдат удачи Гийон. Он снова решил воспользоваться численным преимуществом турок, чтобы сокрушить русские фланги. Он предложил внезапной атакой башибузуков на рассвете захватить русский наблюдательный пост на горе Караял. Здесь планировалось закрепиться четырем батальонам стамбульских стрелков. Их должно было поддержать наступление 16 сирийских батальонов Керим-паши, а также два полка сювари и огонь 32 орудий. Керим-паше поручалось отвлечь внимание главных войск противника, а полковник Кмети в это время, перейдя на левый фланг с 16 анатолийскими батальонами, двумя кавалерийскими полками и 18 орудиями, должен был атаковать русских со стороны низины между Караялом и селением Куру-Дере. В это же самое время нерегулярной курдской кавалерии приказали обойти правый фланг русских в районе деревни Полдерван. В резерве остались 12 батальонов и 30 пушек Мустафы Зарифа.
Недостатком плана Гийона было то, что предполагалось действие турецких войск тремя группами, отделенными друг от друга большим пространством: перед тем как в дело вступит Кмети, Керим-паша должен был выдержать сопротивление всей русской армии. Кроме того, русские кавалерия и артиллерия на конной тяге значительно превосходили по своим боевым качествам турецкие, благодаря чему Бебутов получал возможность отражать атаки противника по очереди.
Бебутов, который еще рано утром понял, что сражение неизбежно, начал поспешно развертывать свои войска. Однако он совершил большую ошибку, очень странную для такого опытного командира, полагая, что оборона наблюдательного пункта на горе Караял была усилена, хотя на самом деле об этом позабыли. Поэтому башибузукам удалось взять его внезапной атакой, и на горе окопались стамбульские стрелки, которые теперь могли обстреливать русские позиции продольным огнем. Бебутов, желая исправить положение, отдал приказ бригаде генерала Белявского (куда входили Белевский пехотный полк, два батальона Тульского полка и одна батарея, два тульских батальона в резерве) отбить высоту. Одновременно четыре эскадрона драгун Новороссийского полка завязали на крайнем левом фланге бой с башибузуками.
Справа от Белявского, поддерживая связь с главными силами пехоты, располагалась кавалерийская группа, состоявшая из драгун Тверского полка, шести эскадронов – нижегородского, казаков, мусульманской нерегулярной конницы и одной конной батареи. Справа от кавалерии бригада гренадеров, прикрывавшая основной артиллерийский парк, который состоял из пяти батарей, поспешно развертывалась вдоль северного края низины, расположенной перед селением Куру-Дере. Бебутов считал, что гренадеры стояли напротив центра турецких войск, но в действительности перед ними располагалось лишь левое крыло группы Керим-паши. Кмети уже начал движение влево против русского правого фланга, который в тот момент прикрывали лишь шесть эскадронов новороссийских драгун, некоторое число казаков, мусульманское ополчение и одна конная батарея. В резерве у них были всего два батальона Рязанского полка с отрядами казаков, мусульманской конницы и одна батарея.
Вокруг горы Караял разгорелся жестокий бой. Атака стамбульских стрелковых батальонов заставила Белявского отвести назад свой левый фланг, в то время как сирийцы при поддержке двух батарей пошли в атаку на его открытый правый фланг. Белявскому пришлось отказаться от задачи взять гору, ибо он с трудом удерживал свои позиции. Тверские драгуны решительным броском отбросили назад сирийских пехотинцев и захватили две турецкие батареи, но туркам удалось увести с собой восемь орудий.
Керим-паша привел подкрепления, стамбульские стрелки спустились с горы Караял и окружили левый фланг русских, а сювари храбро бросились в атаку на каре, которое образовал один из батальонов Белевского полка. На правом фланге войск Белявского кавалерия (нижегородские драгуны и донские казаки при поддержке батарей, стрелявших шрапнелью) снова пошла в атаку на сирийскую пехоту. Сирийцы бились очень храбро и в один момент захватили четыре русских орудия.
Нижегородские драгуны понесли тяжелые потери – у них погибла половина рядовых и 23 офицера из 32. Однако их отчаянные атаки дали пехоте возможность восстановить свои силы, и Белявский самолично повел в штыковую атаку кавказских стрелков и несколько смешанных рот, составленных из солдат русских полков. Сирийцы были жестоко наказаны и начали отступать на юг. Одновременно стамбульские стрелки под натиском драгун Новороссийского полка стали покидать Караял, теснимые в сторону Оджузлу. Увидев, что регулярные войска отступают, башибузуки и курды разбежались. Было еще только 8 часов утра, но чаша весов на левом фланге определенно склонялась в сторону русских.
Как только положение на левом фланге стабилизировалось, Бебутов начал атаку на правый, которую он считал решающей. Около 8 часов утра вдоль северного края низины, тянувшейся перед Куру-Дере, развернулись две линии гренадер, поддерживаемые огнем пяти батарей. Увидев, что над левым флангом Керим-паши нависла угроза, Мустафа Зариф бросил ему на помощь все свои пехотные и артиллерийские резервы. Однако русская артиллерия вскоре заставила замолчать турецкие пушки, а гренадеры плотно сомкнутыми рядами пошли в атаку. Сирийская пехота оказала им упорное сопротивление, и один батальон грузинских гренадер, отбивая контратаку, потерял две трети своих солдат. Неожиданно турецкие резервные батальоны, брошенные в битву последними, дрогнули и начали в беспорядке отступать. Турецкие артиллеристы подались назад, а один полк сювари бросился в атаку на наступавшую русскую пехоту, которая вынуждена была организовать каре. Бебутов послал в бой членов своей свиты, велев им остановить турок.
Тем временем на турецком левом фланге войска полковника Кмети продолжали ставший уже ненужным обход русского фланга. Рано утром толпы курдов и башибузуков появились на берегу Каре-Чая и двинулись к Полдервану. Бебутов усилил свой правый фланг полком казаков и бригадой мусульманских конников. Это помогло сдержать курдов и башибузуков, но после 8 часов, когда Кмети начал атаку большими силами анатолийской пехоты, Бебутов послал против нее драгун Тверского полка и остатки своих резервов (два батальона Рязанского полка и одну батарею) под командованием генерала Баговута. Около 9 часов началось жестокое сражение. Русская кавалерия без труда рассеяла курдов и башибузуков, потом разбила бригаду сювари и захватила ее конную батарею. Анатолийская пехота атаковала волнами, но ее сдерживали два Рязанских батальона, а Тверские и Новороссийские драгуны окружили ее с флангов. После 10 часов Бебутов, обеспечив защиту своего левого фланга, усилил правый двумя батальонами Тульского полка и одной батареей. Кмети, узнав о том, что в центре и на правом фланге турки потерпели поражение, начал отводить свои войска. Русская кавалерия, измученная боем, преследовать их не стала.
Основные силы турок отступали в Карс тремя отдельными группами, сохраняя порядок; им удалось спасти большую часть своей артиллерии. Потери сераскира были значительными: не менее 8 тыс. человек убитыми и ранеными; 2 тыс. попали в плен, 16 пушек было захвачено. После разгрома около 10 тыс. бойцов ополчения дезертировали в свои селения. Русские потери тоже были велики: 3 тыс. человек, что составило 15 % всей армии, участвовавшей в бою.