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.
«Нельзя не помянуть добрым словом храбрые болгарские дружины, 1 и 4, – говорилось в дневнике одного из русских офицеров, – будучи ослабленными, они занимали восточный склон вершины Св. Николы (ныне Столетова). Это небольшое пространство заросло кустарником, что позволяло неприятелю совсем близко приблизиться к ним. Турки не раз почти достигали вершины, но дружинники отбивали их прикладами и камнями».
К полудню на позицию прибыл 35-й Брянский пехотный полк, встреченный защитниками перевала мощным «Ура!». Его батальоны с марша вступили в бой.
Бой продолжался и следующий день – 22 августа. Велась главным образом артиллерийская перестрелка. Турки под прикрытием артиллерийского огня перегруппировывали силы, стараясь занять новые позиции, в том числе и в центральном секторе, под вершиной Малуша. На подмогу защитникам перевала утром 22 августа из Габрово прибыл полковник Иловайский с двумя орудиями конной артиллерии и несколькими десятками казаков. Прибыли и 200 болгар-добровольцев для пополнения поредевших ополченских дружин. Генерал Ф. Ф. Радецкий направил к Шипкинскому перевалу находившиеся в Елене и Тырново главные силы резерва 8-го корпуса. На позицию прибыл генерал В. Дерожинский (ему суждено было погибнуть при защите перевала).