На передовой были установлены две батареи и Большая батарея (четыре полевых 9-фунтовых орудия). Большая батарея непосредственно примыкала к западной части вершины Шипка и была обращена фронтом к югу, к селу Шипка, и западу – к вершинам Малык-Бедек и Демиртепе. Стальная батарея находилась на самом уязвимом месте – на повороте старой дороги (6 орудий Круппа и 1 горное орудие, доставшиеся русским при первой атаке перевала 19 июля, 2 полевых орудия 9-й артиллерийской бригады), она тоже была обращена фронтом к вершинам Малык-Бедек и Демиртепе. Между Стальной и Большой батареями протянулись стрелковые окопы и траншеи, занятые батальоном 36-го пехотного Орловского полка и четырьмя ротами 1-й и 4-й дружин ополченцев. Начальником передовой позиции был назначен полковник М. П. Толстой.
Местность восточнее Стальной батареи и перешеек гребня, соединяющий вершину Шипки с северной вершиной, круто опускались в глубокую и обширную лесистую ложбину, по дну которой текла вода, а далее снова поднимались поросшие лесом склоны высокого Бедека. На вышеупомянутом крутом восточном склоне теснины и на вершине Шипка находились окопы первой линии или глубокие ямы с небольшими брустверами спереди, которые не могли уберечь защитников от турецких пуль. Оказалось, что Шипкинский отряд не располагает необходимым шанцевым инструментом. В ходе августовских боев русские воины и ополченцы были вынуждены рыть окопы руками и с помощью котелков.
Главная позиция на северной высоте была выгнута дугой по протяжению перевала. Вогнутой стороной она была обращена к западу. На левом (южном) конце дуги, в том месте, где начинался перешеек, ведущий к Шипке, находилось два холма, один с западной стороны шоссе, другой – с восточной. На западном холме старое турецкое укрепление было приспособлено русскими под позицию для Центральной батареи (четыре четырехфунтовых орудия). Позиция была обращена фронтом к вершине Малуша, названной впоследствии Волынской высотой (в честь 53-го Волынского полка). Этой батареей командовал поручик Поликарпов. На восточном холме, где также прежде находилось турецкое укрепление, была установлена другая батарея (четыре четырехфунтовых орудия). Так как здесь был только один выход, батарею назвали Круглой. Ею командовал полковник Бенецкий.
Холм Центральной батареи и склоны Шипки к востоку и югу были защищены несколькими рядами окопов. Окопы перед Центральной батареей заняли семь рот 36-го пехотного Орловского полка во главе с подполковником Депрерадовичем. Вторая, третья и пятая дружины ополченцев под командованием полковника Л. Д. Вяземского заняли окопы левого фланга. Остальные три роты 36-го пехотного Орловского полка, как и 1-я и 4-я дружины ополченцев, вместе с четырьмя орудиями 2-й горной батареи капитана Константинова были выделены в резерв, расположенный на перешейке, вблизи старого турецкого караульного помещения. Командный пункт генерала Н. Г. Столетова находился за вершиной Шипка.
Сулейман-паша 20 августа созвал военный совет. Было принято решение атаковать левый фланг русских, а с тем, чтобы отвлечь от него внимание противника, предпринять ложную фронтальную атаку – по старой дороге, ведущей из села Шипка к одноименной вершине. Атака перевала началась в 7 часов утра 21 августа 1877 г. С юга наступали таборы Шакир-паши, с востока – отборные части Реджеба-паши. Всего – 24 табора (половина состава армии Сулеймана-паши), поддержанные черкесской конницей. В тот день противник предпринял 11 атак. Но защитники перевала отбили их, нанеся наступающим большие потери.
Огонь русских батарей косил цепи турок. Большая батарея причиняла большой урон таборам Реджеба-паши, наступающим со стороны Демиртепе и ложбины. На укрепленном пункте Орлиное гнездо турки были встречены залпами орудий и градом камней. Несколько раз его защитники вступали с атакующими в рукопашную и каждый раз отбрасывали их на исходные позиции. Когда кончались патроны, ополченцы третьей роты 1-й дружины обрушивали на врага каменные глыбы, сметая его в ложбину.
Поросшую лесом ложбину и старую дорогу обстреливала Малая батарея. Она помогла отбить по меньшей мере шесть атак неприятеля. Пришлось вступить в действие и резервной – Горной батарее, расположенной неподалеку от бывшей турецкой казармы. Во время самой яростной, пятой атаки 21 августа (в 13 часов) она успешно отбивала спускающиеся с Демиртепе цепи неприятеля. Особенно сильным был огонь Стальной батареи. Поручик Киснемский использовал турецкий порох и кабель турецкого телеграфа для изготовления фугасов, на которые натыкались колонны атакующих. Из трофейных снарядов изготовлялись ручные гранаты. Огнем Стальной батареи было уничтожено турецкое орудие на вершине Малык-Бедек и шесть на высоте Демиртепе. В ночном бою во время последней турецкой атаки батарея расстреливала почти в упор карабкающихся на бруствер неприятельских пехотинцев.
