Le succès des réformes de Milioutine se manifesta dès la Guerre russo-turque de 1877-1878. En effet, après qu'à trois reprises les Russes tentèrent de prendre Plevna sans succès (1877), de nombreux experts militaires conseillèrent le retrait des troupes ; mais Milioutine ordonna de poursuivre le Siège de Plevna d'une manière plus ordonnée. En décembre 1877, Plevna tomba aux mains des Russes, puis le traité d'Andrinople fut signé le . La Russie sortit victorieuse de cette guerre. À la fin de ce conflit, Milioutine diligenta une commission afin d'enquêter sur les problèmes d'approvisionnement et sur d'autres problèmes surgis lors du Siège de Plevna.