Превземането на Лозенград от българската войска не изпълнява военностратегическия замисъл за унищожение на турската армия. От изтеглящите се остатъци от османската Източна армия и новопристигналите свежи попълнения от Мала Азия, турското Главно командване създава две нови армии - І Източна армия и ІІ Източна армия. Всяка една от турските армии е в състав от три корпуса.
Главнокомандващият Назъм паша поставя за цел едната армия да спре българското настъпление, а другата да нанесе разгромяващ контраудар.
Подобни са намеренията и на българското командване и отделните армии получават директива № 5, според която І армия трябва да нанесе решителен удар на противника на линията Бабаески — Люлебургаз, а ІІІ армия чрез обходен маньовър срещу десния му фланг да го отреже от посоката за отстъпление Люлебургаз — Чорлу — Цариград. Конната дивизия получаваше задачата да осветли района Бабаески — Люлебургаз — Караагач. На 14 октомври двете български армии подновяват своето настъпление и след тежък двудневен марш в калта достигат турските линии.
Този път съотношението на силите е в полза на турците. 108 000 българи в 106 пехотни дружини срещу 126 000 турци в 207 табора, 24 български ескадрона срещу 43 турски, 360 български оръдия срещу 342 турски и 116 български картечници срещу 96 турски. В пехота и кавалерия турците превъзхождат с 17% и почти 80% българите. В замисляното направление за контраудар османците постигат още по-голямо преимущество 101 табора против 30 дружини, 13 ескадрона срещу само 1 български и 132 оръдия срещу 30 български. На този участък между Чонгора и Соуджак турските сили превъзхождат българите два пъти.
Главното командване на действащата армия с директива № 6 нареждаше на 15 октомври І армия да продължи движението си по посока на Люлебургаз, където заедно с 6-а бдинска дивизия да атакува противника, „за да даде възможност на ІІІ армия да го отреже от пътя на отстъплението му Люлебургаз — Чорлу”. Конната дивизия трябва да разузнава между пътищата Бунархисар — Виза — Сарай и Тюркбей — Месини — Чорлу.
Рано сутринта в дъждовното утро на 16 октомври V пехотна Дунавска дивизия настъпва в две колони към Соуджак-Виза и Соуджак-Евренджик против 3 низамски корпуса, но е контраатакувана от многократно превъзхождащия я противник. Така по скалистите височини в полите на Странджа пламва битка, в която всички участници почувствуваха, че „ще се решава съдбата на България” Най-ожесточеният бой се завързва за важната стратегическа Безименна височина, където биещите се като лъвове храбреци от 18-и етърски и 20-и добруджански полк отблъскват редуващите се непрекъснато атаки на прииждащите пълчища. Българите запазват присъствие на духа и с удари „на нож” принуждават турците да намалят интензивността на натиска.
В същия ожесточен бой се включва и ІV пехотна Преславска дивизия, която настъпва към Караагач. Против 1 и 2 бригада на преславци настъпват три труски дивизии завързва се ожесточен бой. Въпреки убийствения огън българските войници се понасят „на нож” по стръмнините на речния бряг на река Караагач, падайки, ставайки, хващайки се за всеки шубрак с една цел да достигнат противника. Турското командване веднага въвежда нови части и изведнъж една българска дивизия се изправя срещу шест турски. В критичния момент е въведена и 3 бригада на ІV дивизия. Нейните бойци веднага се хвърлят в боя и в устрема си увличат своите другари от 1 и 2 бригада. В атаката се включва цялата ІV Преславска дивизия и с възгласи „на нож” и под звуците на „Шуми Марица” влиза в боя - "Българите атакуваха с невероятно презрение към смъртта. По цели дружини и даже полкове отведнъж се откъсваха и се хвърляха в огъня, без да мислят за прикритие и даже без да стрелят. Само на нож”. Турските части са унищожени и позициите край Караагач овладени от българите.
VІ пехотна Бдинска дивизия на свой ред настъпва срещу 1 и 4 низамски корпус със задача да достигне Сатъкьой и Татарлар. Още в самото начало 1 бригада на дивизията сломява турската съпротива и влиза в Люлебургаз, посрещната с радост от българското население. На свой ред 2 бригада настъпва в подкрепа на дясното крило на преславци и изтласква на места турците от заетите позиции. Тези действия на бдинци привличат вниманието на противника и българите са подложени на ожесточена контраатака. В боя прииждат нови и нови турски части, с помоща на шопските дружини от І пехотна Софийска дивизия турците временно са отхвърлени, но скоро превъзхождани многократно в жива сила българските части са изтласкани назад. По това време докато основната тежест от бойните действия се поема от личния и командния състав на ІІІ българска армия, но в сражение се включват частите и съединенията на І българска армия. Въпреки закъснението си те веднага влизат в боя Сборната дивизия атакува и турците не издържат. Всички части на Желязната дивизия достига с бой височините западно от Люлебургаз и оказват подкрепа на сражаващата се с многоброен противник Бдинска дивизия.
На следващия ден със заповед на Главното командване генерал Радко Димитриев е назначен за командващ на съединените І и ІІІ армия. В този ден под буреносните облаци покрили небето продължава настъплението на българската армия, „а смелостта и презрението към смъртта у българите растеше и след първите успехи достигна до гигантски размери. Българите не усетиха бурята. Буйстваха като поток, който всичко завлича. Спиране нямаше. Колкото и да паднеха, празнините незабавно се попълваха.”. Частите на І Софийска дивизия настъпват към Люлебургаз отбиват контраатаката на действащата в района редифиска дивизия и на свой ред атакува, а железните шопи на генерал Стефан Тошев се „бият човек срещу човек. Не стрелят, а душат, прехапват гръкляните, бият се с приклади, саби, крака и зъби и мушкат с щиковете. Това всяваше дива уплаха у редифите - турското суеверно опълчение”. Турците отстъпват в безредие и българите влизат повторно в Люлебургаз и до вечерта прочистват околностите му от турски войски. Същата сутрин предприемат настъпление и частите на VІ Бдинска дивизия, като генерал Радко Димитриев сам повежда в атака 35 пехотен полк. Въодушевени от това бойците от 2 бригада на бдинци водени лично от началника на дивизията генерал-майор Православ Тенев се вдигат в атака, увличат в устрема си останалите части от дивизията и завземат противниковите позиции при Тюркбей. Турците започват да отстъпват, а българите се „биеха се като вбесени и смъртта за тях е нищо”.
По същото време започва боят и на ІV Преславска дивизия с намиращите се около нея турски части, който една след друга се хвърлят срещу българските войници опитвайки се да спрат настъплението. Войниците от V пехотна Дунавска дивизия са принудени да водят ожесточени отбранителни боеве срещу настъпвщите главни сили на турската ІІ Източна армия. Българската пехота, недостатъчно поддържана от своите батареи, отговаря с пушечен огън и нож, атаките се редуват с контраатаки, височините между реките Соуджак и Караагач минават от ръце в ръце, но численото и огневото превъзходство на врага надделява. На българите привършват боеприпасите и много от офицерите излизат от строя ранени или убити. Оределите полкове отстъпват 6—7 км назад към Бунархисар, където се окопават по хълмовете източно от града. В същия момент немалко тежко ранени бойци, които санитарите не успяват да изнесат в тила се самоубиват, знаеки за зверствата които извършват турците с пленените български войници. Настъпващите турски части започват да опожаряват околните български села и да избиват мирното население – старци, жени и деца. В критичният момент генерал Димитриев заповяда: „Дръжте се енергично. Ако не можете да настъпвате, то окопайте се и се сдържайте непременно. Нито крачка назад!” Очертаващата се голяма опасност от обхождане на лявото крило кара командуващия ІІІ армия да поиска от І армия да наблегне с всички сили на левия неприятелски фланг. Началникът на артилерията в ІІІ армия полковник Петър Тантилов е изпратен с ключово поръчение до генерал Кутинчев да усили натиска. А до генерал Павел Христов заповедта бе втора и последна за деня „Умрете с дивизията на мястото. Нито крачка назад. На добър час” и дивизията удържа.
На следващия ден 18 октомври картината остава същата, но още от сутринта VІ Бдинска дивизия преминава в решително настъпление и преследва отстъпващия противник до с. Сатъкьой. ІV Преславска дивизия също продължава настъплението и нанася удар на противниковите части опитващи се да обходят бранещата се Дунавска дивизия. Турците са прогонени и преславци започват настъпление. На свой ред V Дунавска дивизия се отбранява успешно и в съвместна атака с части от Преславската дивизия противника е принуден да се оттегли. Продължава настъплението и на дивизиите от І българска армия.
На 19 октомври отбранаващата се до този момент дунавска дивизия започва настъпление срещу противника и двете страни хвърлят всичките си налични сили в боя. Намесва се и токущо пристигналата ІІІ пехотна Балканска дивизия на генерал Иван Сарафов. Тъй като подкрепата на балканците пристига вечерта и е взето решение за нощна атака „на нож”. Ударът върху турските части е унищожителен, след като се разнася мощно „ура” в нощния мрак. Настъплението на балканците увлича и дунавци искащи мъст за падналите си другари, въпреки заповедите „Офицерите и генералите даваха заповеди за спиране, за връщане, за да не се дават излишни жертви - никой не ги слушаше. Този поток не можеше да бъде спрян. Нямаше земна сила, която би могла да го отклони”. Българският войник настъпваше по цялата фронтова линия „Напред през животински и вражи трупове, напред! Най-много да отстъпи една крачка встрани, за да не сгази гърчещия се още паднал другар. Напред, напред!”. На 20 октомври Люлебугаз-Бунархисарската операция завършва с победа за българите. Турските Източни армии бягат в безредие пред българските щикове. За 15 дни от началото на войната в рамките на две операции българската армия разбива главите сили на Османската империя. Победите на българския войник ще променят статуквото на Балканите, от тук насетне за дипломацията оставаше действието да затвърди новото положение.
По случай българските победи, председателят на Балканския комитет лорд Ноел Бъкстон пише с възхищение за храбростта и саможертвата на въоръжения българин. Той се старае да обясни на английската общественост как бойният вик „Напред! На нож!” се счувал на бягащите турци — „По пет на нож!”. И въпреки шрапнелите и куршумите дум-дум българите настъпвали смело към толкоз необходимата им победа, тласкани напред от дълбокото осъзнаване на справедливото дело „Ние се бием за свободата на своите братя в Македония и Одринска Тракия!”.