В июне 1855 г. новый командующий русским корпусом Николай Николаевич Муравьёв начал осаду Карса. Получив сведения о подходе турецких подкреплений, 17(29) сентября Н.Н. Муравьёв предпринял штурм Карса, который закончился неудачей, потери составили 6,5 тыс. русских солдат. Тем не менее, в результате блокады Карса, которую русские продолжили, 16(28) ноября 1855 г. гарнизон Карса сдался. Согласно Парижскому мирному договору, заключённому 13(25) февраля 1856 г., после окончания Крымской войны Россия вернула Карс Османской империи в обмен на захваченный союзниками в 1855 г. Севастополь. Вследствие вынужденной эмиграции армян в 1829–1830 и 1854–1855 гг. в пределы российского Закавказья численность армянского населения Карса значительно сократилась. Турецкое правительство начало активно заселять город турками и курдами. В ходе Русско-турецкой (Балканской) войны (1877–1878 гг.) Закавказье вновь воспринималось русским командованием как второстепенный театр военных действий, что, в конечном счёте, не позволило России кардинальным образом улучшить стратегическое положение в этом регионе. 24 мая (5 июня) 1877 г. Кавказский корпус Михаила Тариэловича Лорис-Меликова начал осаду Карса, но спустя полтора месяца отступил из-за подхода турецких подкреплений. 20 сентября (2 октября) – 3(15) октября 1877 г. в сражении в районе горы Аладжа, восточнее Карса, русские разгромили главные силы турок Мухтар-паши. 13(25) октября – 6(18) ноября русские провели вторую осаду Карса и во главе с генералом Иваном Давидовичем Лазаревым овладели им. По условиям Сан-Стефанского мирного договора в марте 1878 г. России в Закавказье были переданы Карс, Ардаган, Батум и Баязет. В ходе активного развития Карса после присоединения к России к 1913 г. численность населения города достигла 12,2 тыс. человек, из которых 10,3 тыс. составляли армяне. В начале Первой мировой войны (1914–1918 гг.) Карс находился в ближнем тылу русской Кавказской армии (командующий Александр Захарьевич Мышлаевский; с января 1915 г. – Николай Николаевич Юденич) и нападениям не подвергался. В конце 1914 г. турки попытались вторгнуться на русскую территорию в районе Сарыкамыша, юго-западнее Карса, и, угрожая перерезать коммуникации основных сил русских, наступали на Карс. В Сарыкамышском сражении (9(22) декабря 1914 г. – 5(18) января 1915 г.) турецкая группировка потерпела поражение и отступила. В 1915–1916 гг. русские войска продвинулись далеко на запад и юг от Карса. В конце 1917 г. деморализованная в результате революции русская армия заключила Эрзинджанское перемирие с турками, начала самораспускаться и отходить на русскую территорию. По условиям Брестского мира (3 марта 1918 г.) правительство Советской России уступало Турции области, отторгнутые у неё в 1878 г., в том числе Карс. Население Закавказья, а затем и правительство Закавказского комиссариата в Тифлисе отказались признавать эти условия и попытались организовать вооружённое сопротивление туркам. С начала 1918 г. армянский добровольческий корпус генерала Фомы Ивановича Назарбекова своими силами сдерживал продвижение турок. Карс был захвачен турками 25 апреля 1918 г.; отступление военных сил, в том числе и армянских, в Закавказье сопровождалось массовым исходом местного, преимущественно армянского, населения из Карса. Около 10 тыс. оставшихся армян были перебиты.