Вскоре начались боевые действия, и Сухомлинов оказался в водовороте важнейших событий этой войны. По поручению великого князя Николая Николаевича (Старшего) он был направлен к командиру 8-го армейского корпуса генералу от инфантерии Ф.Ф. Радецкому, войска которого занимали Шипкинский перевал. Первым столкновением с противником, в котором участвовал капитан Сухомлинов, было отражение неприятельского нападения на деревню Зелено-Древо 20 августа 1877 г.
По поручению главнокомандующего с 12 сентября по 12 октября Сухомлинов принимал участие в рекогносцировках турецких укреплений под Плевной: совместно с полковником А.А. Фрезе составлял план осады крепости. 27 сентября он отличился во время рекогносцировки у Дольнего Дубняка на Софийском шоссе. После окончания работ в секторе противника разведчиков заметили и начали преследовать черкесы. Во время отступления Сухомлинов с конвоем из девяти гусар 9-го Киевского полка застал врасплох турецкий сторожевой пост и захватил в плен трех турецких пехотинцев52. Отряду удалось оторваться от преследователей и успешно переправиться на правый берег реки Вид, где им на помощь подоспел полуэскадрон гусар во главе с ротмистром Кареевым, товарищем Сухомлинова по Николаевскому кавалерийскому училищу.
В итоге главнокомандующему было доложено, что «не только задача по рекогносцировке была выполнена, но удалось раздобыть у противника в тылу так называемых „языков", т. е. людей для допроса»53. 24 января 1878 г. за это дело Сухомлинов был награжден золотой саблей с надписью «За храбрость» – одной из самых почетных наград за воинскую доблесть, а несколько позднее – за составление планов осады Плевны – румынским орденом.
14 октября Сухомлинов произведен в подполковники и практически сразу же был откомандирован в Ловче-Сельвинский, впоследствии Троянский отряд генерал-лейтенанта П.П. Карцова.
Временное воинское соединение – Ловче-Сельвинский отряд – насчитывал всего 6 тысяч человек, при 24 орудиях прикрывавших линию фронта между городами Ловчей и Сельвией. Отряд должен был отвлекать внимание турецкого командования от Шипки и Араб-Конака, а также служить связующим звеном между отрядами генералов И.В. Гурко и Ф.Ф. Радецкого. Его маневр был чисто демонстративным.
Как вспоминал генерал П.П. Карцов: «В один из октябрьских вечеров явился ко мне Генерального штаба подполковник Сухомлинов и передал, что Великий князь главнокомандующий желает, чтобы я занял Троянский и Розелитский перевалы…
– Так как вы передали мне волю главнокомандующего, то я на вас и возложу подробное расследование и изучение подъемов, отвечал я Сухомлинову»54.
На участке между Шипкой и Орханией существовали