Операция началась 29 августа 1920 г. Каганскую группу войск на бухарском направлении с воздуха поддерживала авиация (8 самолетов), совершившая 16 боевых вылетов на разведку и бомбардировку эмирских войск. По свидетельству очевидцев, «с рассветом самолеты 43-го авиаотряда начали бомбардировку города, причем огонь был сосредоточен по дворцу эмира. Немедленно по прибытии к ним присоединились также и самолеты 25-го и 26-го авиаотрядов. Бомбометание велось одиночным порядком, так как никакой надобности в групповых полетах, связывающих маневрирование и понижающих точность прицеливания, не было, да и летный состав не имел опыта в них. Несмотря на интенсивный обстрел самолетов с земли, полеты велись метров на 500 высоты. Самолеты сплошь и рядом получали пробоины, но зато, несмотря на крайне примитивные прицельные средства (по гвоздикам, вбитым в борт самолета), добились большой точности попаданий. Благодаря близости аэродрома можно было не доливать баков после полета, времени на заправку самолетов требовалось мало и каждый самолет успевал сделать за день до пяти полетов; над дворцом эмира в течение всего дня, почти без перерывов, появлялись самолет за самолетом, бросая бомбы. На аэродроме же весь день кипела горячая работа; даже трудно было взлетать и садиться, так как не успевали рассеиваться густые облака пыли, вздымавшиеся взлетавшими самолетами»356. Обстрел противником летательных аппаратов оказался малоэффективным, ни один из самолетов не получил никакого вреда.
К вечеру того же дня передовые наступавшие части подошли к стенам Старой Бухары. 30 августа огнем полевой артиллерии, скорректированным с аэростата 13-го воздухоплавательного отряда, удалось снести Мазари-Шарифские ворота. В образованный пролом в город устремились штурмовые отряды. Но противник сумел организовать оборону и выбить из границ города красноармейцев, понесших большие потери в живой силе. 31 августа штурм Старой Бухары возобновился. Потери среди наступавших составили до 600 человек убитыми и ранеными, а настроение красноармейцев было «близко к паническому»: «пришлось использовать артиллерию» (преимущественно гаубицы) и 11 самолетов, «разрушив до Уб города». Всего было выпущено 12 тыс. снарядов357.
Воздушными налетами был серьезно поврежден эмирский дворец и частично разрушены укрепленные кварталы города. По воспоминаниям летчика 26 ао Н.В. Фаусека, «мы бомбили Бухару. Мы разрушили древний эмират. Особое ликование у нас вызывали попадания бомб в знаменитую „Башню смерти44, хотя попадания эти для нас были, в сущности, совершенно бесполезны»358. 1 сентября воздушная разведка обнаружила подготовку бухарских войск к отступлению. На следующий день советские части полностью овладели Старой Бухарой и ее цитаделью (внутренней крепостью).
По оценке советского командования, «интенсивная пятидневная работа авиации в 40-градусную жару, в тучах пыли и песка, не могла не вызвать сильного переутомления летного состава и износа самолетов. В результате этого почти половина машин вышла из строя. Однако воздушная бомбардировка уже сделала свое дело, и дальнейшая работа авиации состояла исключительно в ведении разведки, с целью не дать эмиру возможности бежать. Средства для проведения ее с достаточной широтой у нас не было, и эмиру удалось ночью с 1 на 2 сентября незаметно покинуть Бухару»359.
В дальнейшем действия авиации были перенесены на окрестности города, где обнаружили отступавший эмирский отряд (до 200 сабель) в направлении на Цыон – Дувяну. В результате он был подвергнут огневому воздействию с воздуха. Совершая полеты на высоте 300–400 м, пилоты сбрасывали на противника бомбы, обстреливали его из пулеметов. 2 сентября воздушная разведка зафиксировала неприятеля в 40 км южнее Кизил-Тепе (Кызылтепа), в голой степи. Стремясь оторваться от преследования, последний повернул на запад, направляясь к р. Амударья. Контролировавший передвижение противника экипаж самолета предупредил курсировавший по только что восстановленной железнодорожной ветке Каган – Карши бронепоезд. Последний огнем своих орудий исключил возможность пересечь вражескому отряду транспортную магистраль. Летчик Н.П. Ильзин предложил тогда смелый проект – бомбо-штурмовыми ударами атаковать неприятеля с малой высоты всеми боеготовыми самолетами, рассеять отряд, разгромить обоз и вынудить эмира и его приближенных сдаться. В случае отказа от сдачи полностью уничтожить силы противника. Этот план не нашел одобрения у командования, и преследование эмира было поручено находившейся в г. Карши кавалерийской части. Ей на время операции было придано два оставшихся боеготовых самолета, которые активно вели разведку маршрута движения неприятельского отряда360. Однако ему удалось скрытно уйти в горы и позднее переправиться в Афганистан.