В 1865 году в чине полковника был направлен служить в Туркестан к генералу Д. И. Романовскому на должность начальника штаба. 2 октября 1866 года, командуя южной группой в составе трёх штурмовых колонн, отличился при взятии бухарской крепости Ура-Тюбе, а 18 октября принял непосредственное участие в штурме Джизака. 28 октября 1866 года произведён в генерал-майоры и назначен помощником военного губернатора Туркестанской области. За боевые отличия во время военных действий в Туркестане награждён орденом Св. Георгия 4-й степени (1867). После назначения К. П. фон Кауфмана Туркестанским генерал-губернатором Воронцов-Дашков покинул Среднюю Азию и вернулся в Петербург.