В свою очередь, Россия решила воспользоваться ситуацией и расширить свои владения в Северном Причерноморье.

Военные действия развивались для России успешно. Турецкие войска потерпели чувствительные поражения, потеряв Очаков и Хотин, были разгромлены при Фокшанах и на реке Рымник. Турецкий флот потерпел крупные поражения в Керченском проливе и у острова Тендра. Русский флот захватил прочное господство на Черном море, обеспечив условия для активных наступательных действий русской армии и гребной флотилии на Дунае. Вскоре, овладев крепостями Килия, Тульча и Исакча, русские войска подошли к турецкой крепости Измаил на Дунае, прикрывавшей стратегическое балканское направление.Накануне войны крепость была сильно укреплена с помощью французских и немецких инженеров. С запада, севера и востока ее окружал высокий вал протяженностью шесть километров, высотой до восьми метров с земляными и каменными бастионами. Перед валом был вырыт ров шириной 12 метров и до 10 метров глубины, который в отдельных местах заполнялся водой. С южной стороны Измаил прикрывался Дунаем. Внутри города было много каменных построек, которые могли использоваться для ведения обороны. Гарнизон крепости насчитывал 35 тысяч человек при 265 крепостных орудиях. В ноябре русская армия численностью в 31 тысячу человек 28,5 тысячи пехоты и 2,5 тысяч конницы при 500 орудиях осадила Измаил с суши. Речная флотилия под командованием генерала Осипа де Рибаса, уничтожив почти всю турецкую речную флотилию, заблокировала крепость со стороны Дуная.

Главком русской армии генерал-фельдмаршал князь Григорий Потемкин направил на руководство осадой генерал-аншефа (на тот момент) Александра Суворова, который прибыл к Измаилу 13 декабря (2 декабря по старому стилю).Для начала Суворов решил провести основательную подготовку к взятию неприступной твердыни. У близлежащих сел были сооружены валы и стены, подобные измаильским. Шесть дней и ночей солдаты отрабатывали на них способы преодоления рвов, валов и крепостных стен. Одновременно для обмана противника имитировалась подготовка к длительной осаде, закладывались батареи, проводились фортификационные работы.

18 декабря (7 декабря по старому стилю) Суворов направил на имя командующего турецкими войсками Айдозли-Мехмет-паши ультиматум с требованием сдать крепость; к официальному письму полководец приложил записку:"Сераскиру, старшинам и всему обществу: я с войсками сюда прибыл. Двадцать четыре часа на размышление о сдаче и воля, первые мои выстрелы уже неволя, штурм — смерть. Чего оставляю вам на рассмотрение".

Отрицательный ответ турок, согласно ряду источников, сопровождался уверениями, что "скорее Дунай остановится в своем течении и небо рушится на землю, чем сдастся Измаил". Суворов принял решение о немедленном штурме. В течение 20 и 21 декабря (9 и 10 декабря по старому стилю) крепость подвергалась ожесточенной бомбардировке из 600 орудий. Штурм, ставший классикой военного искусства, начался в половине шестого утра 22 декабря Суворов планировал затемно сбить противника с вала, а затем максимально использовать светлое время суток, чтобы не прерывать бой на ночь. Свои силы он разделил на три отряда по три штурмовых колоны в каждом. Отряд генерал-поручика Павла Потемкина (7500 человек) атаковал с запада, отряд генерал-поручика Александра Самойлова (12000 человек) — с востока, отряд генерал-майора Осипа де Рибаса (9000 человек) — с юга через Дунай. Кавалерийский резерв (2500 человек) бригадира Федора Вестфалена в четырех группах занял позиции против каждых из крепостных ворот. На западе колонны генералов Бориса де Ласси и Сергея Львова сходу форсировали вал, открыв ворота для кавалерии. Левее солдатам колонны генерала Федора Мекноба пришлось под огнем связывать попарно штурмовые лестницы, чтобы преодолеть более высокие укрепления.

С восточной стороны спешенные казаки полковника Василия Орлова и бригадира Матвея Платова выдержали сильную контратаку турок, от которых досталось и колонне генерала Михаила Кутузова, занявшей бастион у восточных ворот. На юге начавшие штурм чуть позже колонны генерала Николая Арсеньева и бригадира Захара Чепеги под прикрытием речной флотилии замкнули кольцо. Для поддержки пехоты использовались полевые пушки, картечью очищавшие улицы от турок. К часу дня победа была фактически одержана, однако в отдельных местах схватки продолжались. В отчаянной попытке отбить крепость погиб брат крымского хана Каплан-гирей.

При свете дня бой шел уже внутри крепости. Около полудня колонна де Ласси первой достигла ее центра. Айдозли-Мехмет-паша с тысячей янычар два часа удерживал каменный постоялый двор, пока почти всего его люди (и он сам) не были перебиты гренадерами. К 16 часам сопротивление полностью прекратилось. Турецкий гарнизон потерял убитыми 26 тысяч человек, девять тысяч были пленены, но в течение суток до двух тысяч из них умерли от ран. Победителям достались около 400 знамен и бунчуков, 265 орудий, остатки речной флотилии — 42 судна, множество богатой добычи. Потери русских войск убитыми и ранеными поначалу были оценены в четыре с половиной тысячи человек.

По другим данным, только погибших оказалось четыре тысячи, и еще шесть тысяч получили ранения. Русская победа имела большое значение для дальнейшего хода войны, которая в 1792 году завершилась Ясским миром, закрепившим за Россией Крым и северное Причерноморье от Кубани до Днестра. Взятию Измаила посвящен гимн "Гром победы, раздавайся!" (музыка — Осип Козловский, слова — Гавриил Державин), считавшийся неофициальным гимном Российской империи.