Im Russisch-Türkischen Krieg wurde Obrutschew dem Generalstab der Kaukasusarmee unter dem Großfürsten Michael zugeteilt und führte durch seine Anordnung der von Lasarew ausgeführten Umgehungsbewegung den Sieg am Aladja Dagh (15. Oktober 1877) herbei. 1878 wurde er zum Generaladjutanten und 1881 vom neuen Kriegsminister Wannowski zum Chef des Großen Generalstabs ernannt. Obrutschew war als Panslawist ein heftiger Gegner Deutschlands und ein eifriger Vertreter des Bündnisses mit Frankreich. So gehörte er von 1890 bis 1892 zu den Verhandlern des geheimen russisch-französischen Militärabkommens, das beide Mächte am 17. August 1892 unterzeichneten. Er überzeugte auch Nikolaus II., im Ersten Japanisch-Chinesischen Krieg von 1894 bis 1895 nicht zu intervenieren. 1897 wurde er aus Gesundheitsrücksichten entlassen und zum Mitglied des Reichsrats befördert. Im Dezember 1888 wurde er Ehrenmitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften in St. Petersburg. Er starb am 8. Juli 1904 im Alter von 73 Jahren in Frankreich.