Следующим испытанием стал восточный кризис. Восстания христианского населения в Боснии и Болгарии подтолкнули Сербию и Черногорию к войне с турками. Но силы оказались неравны. Победа турок грозила России утратой влияния на Балканах, и посол в Константинополе Н. П. Игнатьев в октябре 1876 года предъявил от имени Александра II ультиматум, по которому Турция обязывалась заключить мирный договор с Сербией и Черногорией в течение сорока восьми часов. Стамбул дал согласие на перемирие, однако не пошёл на уступки христианским подданным.
При свидании с австрийским императором Францем Иосифом I в Рейхштадтском замке в Чехии Александр II и Горчаков согласились на оккупацию Австрией части Боснии и Герцеговины в обмен на согласие Вены на независимость или автономию Болгарии и возвращение России Юго-Западной Бессарабии. Но султан Абдул-Хамид категорически отказался исполнять коллективную ноту с требованием автономии Боснии, Герцеговины и Северной Болгарии.
Война стала неизбежной, хотя Россия не была к ней готова. В то время как общественное мнение призывало императора начать борьбу в защиту «братьев»-славян, он колебался, помня и боясь повторения того, что довелось пережить его отцу в Крымскую войну. Дважды — в ночь перед подписанием манифеста «о войне с Оттоманскою Портою» и накануне перехода русской армии через Дунай — Александру во сне являлся отец, обнимая и благословляя его.
Пятнадцатого июня русские войска перешли Дунай у Зимницы. Александра II ждала радостная встреча в болгарском Систове. «Войска стояли шпалерами от самой переправы до города, — писал Игнатьев. — Энтузиазма, криков восторженных войска при виде царя и главнокомандующего описать невозможно. В городе приём был великолепный. Жители с духовенством и хоругвями в голове встретили царя, кричали “ура!”, “живио!”, бросались целовать руки, ноги. Болгары выбили окна в мечетях, разбросали листки корана и разграбили лавки мусульман, оставивших поголовно город».
Начало было удачным — взяты Никополь, Тырново, осуществлён переход Балкан; но затем начались упорные бои под Плевной и героическая оборона Шипкинского перевала от наступавших турок. Война выявила слабости командования, организации, снабжения, вооружения. Главнокомандующий, великий князь Николай Николаевич, оказался бездарным полководцем; не хватало кадровых офицеров; на вооружении у турок имелись немецкие и английские стальные орудия и скорострельные американские карабины-винчестеры.
Только в самом конце 1877 года произошёл перелом. Войска М. Д. Скобелева под Шейновом и Шипкой окружили турок, и их командующий Вессель-паша отдал русскому генералу свою саблю. Победители двинулись на турецкую столицу. 9 января 1878 года, по свидетельству Д. А. Милютина, Александр II воскликнул: «Если суждено, то пусть водружают крест на Святой Софии!» Но мечты оказались неосуществимы; европейские державы, прежде всего Англия, не желали разрушения Турецкой империи. Начались трудные дипломатические переговоры, которые закончились возвращением России контроля над устьем Дуная, потерянного после поражения в Крымской войне; на Балканах появилось новое независимое государство — Болгария.