Обручев был автором стратегического плана войны с Турцией. Кроме того, он сыграл большую роль в том, чтобы убедить Александра II в необходимости этой войны. Милютин и Александр II предполагали включить его в состав полевого штаба, однако великий князь Николай Николаевич Старший воспротивился этому. По этой причине Обручев был командирован на Кавказский театр войны. Там он подготовил план операции по разгрому аладжинской группировки неприятеля, который был реализован М. Т. Лорис-Меликовым в Авлияр-Аладжинском сражении. Это привело к падению крепости Карс, ключевой на Кавказском фронте. За участие в войне Обручев был удостоен ордена Святого Георгия 3-й степени, а также звания генерал-адъютанта.