На сутринта на 24 октомври 1912 г. Трета българска армия се подготвя за окончателното овладяване на Лозенград, но установява, че османските войски вече са напуснали града. Частите на генерал-лейтенант Радко Димитриев влизат в него и са тържествено посрещнати. Така Лозенградската операция, започнала на 22 октомври, завършва с българска победа в първото голямо сражение в Източна Тракия по време на Балканската война.

Срещу османската Източна армия, съсредоточена около Лозенград, действат Първа българска армия на генерал-лейтенант Васил Кутинчев и Трета армия на Радко Димитриев. След като България обявява война на Османската империя на 18 октомври 1912 г., Първа и Втора армия се насочват към Одрин. Трета армия се придвижва на юг от Ямболско, като присъствието ѝ остава неизвестно за османските сили. На 21 октомври тя изненадва противника със сблъсък с войските му северно от Лозенград.

Най-тежките боеве се водят на 22 октомври. Първа пехотна софийска дивизия, Конната дивизия и Четвърта пехотна преславска дивизия отблъскват османските войски. Силите, които прикриват Одрин, са отделени от основните части при Лозенград.

На 23 октомври Трета армия продължава настъплението си. Османските части отстъпват към Лозенград и изоставят земните укрепления около него. Под натиска на Трета дивизия и Десета пехотна сборна дивизия започват да се оттеглят и османските сили на запад.

По данни на Actualno.com османските жертви в битката са около 1000 души, а пленените — 1500. Само Трета българска армия дава 532 жертви и 1420 ранени.

Отблъскването на основните османски сили от Одринската крепост дава възможност тя да бъде обсадена. Няколкодневното забавяне на българските войски след победата при Лозенград обаче позволява на османското командване да организира силите си по линията Люлебургаз–Бунархисар. Българската армия впоследствие я преодолява с големи загуби в Люлебургазко-Бунархисарската операция.