Закончив переправу через Марицу по броду южнее Рогоша в 13:00 16 января, войска Краснова двинулись через Филиппополь в направлении Станимаки. Обнаружив турецкую колонну, следовавшую на Станимаку, Краснов развернул драгун и гвардейцев и приказал пехоте атаковать Кара-агач.

В первой линии развернулись 2-й и 3-й батальоны гвардейского Литовского полка; за ними в резерве 1, 2 и 4-й батальоны гвардейского Кексгольмского и 4-й батальон Литовского полков. В 1000 м от турецких позиций они были встречены сильным ружейным и артиллерийским огнем. Гвардейцы начали было отвечать, но вскоре прекратили огонь и лишь ускорили шаг. Движение без огня принесло наступавшим ту пользу, что в начавшейся темноте турки лишились возможности вести прицельный огонь по вспышкам выстрелов, и большинство турецких пуль и снарядов давало перелеты. Более того, по вспышкам турецких выстрелов русские начальники получили возможность определить расположение турецких, позиций и окончательно нацелить батальоны в атаку. 2-й батальон литовцев подошел к деревне, поддержки влились в цепь, и все вместе атаковали 12-орудийную батарею и захватили ее, переколов прислугу и прикрытие. Турецкие контратаки были отбиты в основном огнем с коротких дистанций. В то же время 3-й батальон Литовского полка атаковал трех- и пятиорудийную батареи, захватил их и также отбил последовавшие вслед за тем турецкие контратаки. Кексгольмские батальоны подошли к деревне, когда все три батареи уже были взяты, и потому они приняли участие только в очищении остальной части деревни и в отражении вновь-начавшихся турецких контратак.

К 4:00 17 января, ко времени отражения последней турецкой контратаки, патроны у гвардейцев пришли к концу, так как расход их даже в ночном, преимущественно штыковом, бою был для того времени довольно велик (в одном Кексгольмском полку их было израсходовано 27 000). Если бы у турок хватило сил еще на одну контратаку, гвардейцы едва ли смогли бы ее отбить. Это обстоятельство, а также крайнее неудобство дневной обороны расположенных в деревне позиций заставили Краснова к рассвету очистить деревню. В 7:30 17 января, оставив в Кара-агаче два эскадрона драгун, отряд оттянулся к Паша-Махале.

Несмотря на проявленный русскими в бою под Кара-агачем героизм, задача, поставленная отряду Краснова на 16 января, осталась невыполненной и пути отхода турецких войск на Станимаку перерезаны не были.

Задачу, которую не выполнил отряд Краснова, могла и должна была хоть частично, по мере своих сил, выполнить конница Клодта. Если бы она выполнила первую часть поставленной задачи и, переправившись через Марицу, стала у железной дороги севернее Катуницы, ей, по всей вероятности, удалось бы выяснить действительное направление отхода турецких войск, а затем в той или иной мере заполнить и вторую часть своей задачи - отрезать туркам пути отхода. Но до получения этой задачи Клодт ничего толком о противнике не разведал даже поблизости от своего расположения. Высланные им слабые разъезды не могли приблизиться к противнику для уточнения добытых данных, и потому, с одной стороны, приняв вошедшие в Филиппополь русские войска за турок, сообщили о занятии города противником и, с другой стороны, донесли, что крупные силы неприятельской пехоты занимают также и Папазлий. При таких данных разведки, совершенно не отвечавших действительности, у Клодта сложилось впечатление, что полученная им в 15:30 16 января задача невыполнима. Клодту представилось, что при переправе через Марицу севернее Чешнигырово конница немедленно же подвергнется на южном берегу реки контратакам турецких войск в оба свои фланга - от Филиппополя и от Папазлия. Исходя из этих соображений, Клодт предпочел простоять весь день в бездействии у Маноле и севернее Чешнигырово.