In dieser Funktion marschierte er in den osmanischen Teil Armeniens ein und wurde dort von der Bevölkerung freundlich begrüßt. Von Anfang Juni bis Ende November 1855 führte Murawjow die Belagerung der wichtigen Festung Kars, im Nordosten Anatoliens. Omar Pascha, der in den Donau-Fürstentümern so erfolgreich war, wurde entsandt, um Kars zu entsetzen. Sein Ablenkungsangriff auf Kutaissi wurde aber vereitelt und am 29. November konnte Murawjow Kars einnehmen. Er trug seitdem den nichtoffiziellen Namenszusatz Karski. Murawjow wurde zum Generaladjutanten Zar Alexanders II. und Mitglied des Reichsrats ernannt. Er war im Anschluss Mitglied der Kommission, welche die Missstände während des Krimkriegs untersuchen sollte, lebte aber die nächsten Jahre teils zurückgezogen in Russland, teils auf Reisen im südlichen Europa.