Am 30. August 1991 erklärte der Oberste Sowjet die Unabhängigkeit Aserbaidschans sowie den Austritt des Landes aus der UdSSR. Darauf rief sich das AGBK mit dem nördlich angrenzenden Bezirk Schahumjan zur unabhängigen Republik Berg-Karabach innerhalb der noch existierenden Sowjetunion aus. Eine Volksbefragung vom 10.12.1991 legitimierte diese Entscheidung mit 98,2% der abgegebenen Stimmen. Kurz nach der Unabhängigkeitserklärung des einstigen AGBK hob das aserbaidschanische Parlament am 23.11.1991 ein weiteres Mal den Autonomiestatus Berg-Karabachs auf. Vom Dezember 1991 bis zum März 1992 zogen sich die sowjetischen Truppen aus dem Südkaukasus und auch aus Berg-Karabach zurück. Zeitgleich mit ihrem Rückzug begann die Offensive der aserbaidschanischen Streitkräfte, die die Region aus den umliegenden Bezirken sowie aus Siedlungen um die Hauptstadt Stepanakert mit Mörsern und Raketen beschossen.
Der insgesamt erfolglose Versuch Aserbaidschans, mit militärischen Mitteln Berg-Karabach wieder unter seine Kontrolle zu bringen, kostete nach jeweils eigenen Angaben 18.000 Aserbaidschanern sowie mindestens 20.000 Armeniern das Leben, letztere überwiegend bei Luftangriffen getötete Zivilisten. Insgesamt 1,364 Millionen Menschen wurden im östlichen Transkaukasus zwischen 1988 bis Mai 1994 durch den Karabach-Konflikt zu Flüchtlingen und Vertriebenen. Von diesen stammten 194.000 aus Armenien (ethnische Aserbaidschaner), 40.000 aus dem AGBK (ethnische Aserbaidschaner) und 350.000 aus Aserbaidschan (ethnische Armenier). Zu den Kriegsflüchtlingen gehörten 80.000 Armenier aus dem Norden Berg-Karabachs, weitere 80.000 Armenier in den grenznahen Bezirken Armeniens sowie 750.000 Aserbaidschaner aus den 1993 im Osten und Süden des einstigen AGBK eingenommen Bezirken.
Den karabach-armenischen, durch 5.000 Freiwillige aus Armenien sowie der Diaspora verstärkten Selbstverteidigungseinheiten gelang es bereits im Frühjahr 1992, die seit 1920 überwiegend von Aserbaidschanern bewohnte Festungsstadt Schuschi einzunehmen und anschließend das Korridorgebiet zwischen der Republik Armenien und dem einstigen AGBK, das an der schmalsten Stelle („Latschiner Korridor“) nur acht Kilometer misst. Damit entstand bei der Kreisstadt Berdsor (vormals Latschin) ein „humanitärer Korridor“, der der seit 1989 von Aserbaidschan verhängten Totalblockade Berg-Karabachs zumindest von Westen ein Ende setzte. Die Region konnte nun auch auf dem Landweg erreicht werden.
Seit Juni 1992 flogen russische und ukrainische Militärpiloten außerdem Luftangriffe, bei denen vor allem international geächtete Splitterbomben sowie 500-kg Bomben eingesetzt wurden, die, allen Kriegskonventionen zuwider, in erster Linie der Zerstörung ziviler Ziele dienten: Krankenhäuser, Schulen, Kindergärten, Kirchen, Wohnhäuser und sogar Flüchtlingstracks. Dadurch gelang im Juni und Juli 1992 der aserbaidschanischen Nationalarmee eine Gegenoffensive, bei der Berg-Karabach den Bezirk Schahumjan sowie vorübergehend den Bezirk Martakert verlor, aus dem bis zu 80.000 Menschen flüchteten. „Viele flohen mit nichts als den Kleidern auf sich, einige hatten nur die Hausschuhe an. Auf ihrer Flucht in die Berge und Wälder wurden sie weiterhin von GRAD-Raketen und Panzern beschossen. Viele wurden auf der Flucht getötet, Familien wurden auseinander gerissen, ältere Menschen starben auf dem 80 km langen Marsch nach Stepanakert.“
Ähnlich wie bereits bei der „Operation Ring“ kam es auch während der aserbaidschanischen Angriffe 1992 zu Massakern an der Zivilbevölkerung eroberter Ortschaften. Zum Inbegriff für Kriegsgräuel wurde für Armenier das große Grenzdorf Marara, für Aserbaidschaner die Siedlung Chodschalu (Hocali), den den Zivilflughafen unweit von Stepanakert kontrollierte. In Marara ermordeten am 10. April 1992 Angehörige des aserbaidschanischen OMON über 60 Armenier, davon die Hälfte Frauen und Kinder. Marara bildete die Rache der Aserbaidschaner für ihre Wehrsiedlung Hocali, die bei ihrer Einnahme durch Armenier in der Nacht zum 26. Februar 1992 von 6.000 Aserbaidschanern und meßchetischen Neusiedlern – Flüchtlingen aus Usbekistan – bewohnt wurde. Nach Angaben des aserbaidschanischen Parlaments kamen dabei 181 Menschen um, davon 130 Männer. Entgegen früherer Zusagen schossen offenbar die Armenier auf die Flüchtlinge, als sie unter ihnen uniformierte Angehörige des OMON erblickten; diese erwiderten das Feuer.
Im April 1993 erlangten die karabach-armenischen Einheiten mit der Einnahme der östlich und südlich des einstigen AGBK gelegenen Bezirksstädte Agdam, Fisuli, Dschebrail und Kubatly ihre strategisch optimalen Verteidigungslinien. Ihre Siege bewirkten, dass im Juli 1993 Aserbaidschan erstmals in Direktverhandlungen mit Berg-Karabach trat. Doch das Kriegsende verzögerte sich bis zum Mai 1994, weil die neue aserbaidschanische Regierung unter Hejdar Alijew im Dezember 1993 die bislang größte Offensive dieses niemals offiziell erklärten Krieges startete. Sie wurde nach zwei Monaten von den karabach-armenischen Einheiten gestoppt. Eine Vermittlungsinitiative der russischen Regierung sowie der Interparlamentarischen Versammlung der GUS führte am 9. Mai 1994 in der kirgisischen Hauptstadt Bischkek zur Unterzeichnung eines Waffenstillstandsabkommens durch Parlamentsdelegationen aus Aserbaidschan, Armenien und Berg-Karabach, dem am 12. Mai in Moskau ein Waffenstillstandsvertrag folgte.
Die Kriegsschäden in Berg-Karabach werden auf 2,5 Milliarden EUR geschätzt. 85 Prozent aller Betriebe und die Hälfte der öffentlichen Gebäude wurden während des Krieges zerstört, ein Drittel davon allein in der Hauptstadt. Eine weitere Kriegsfolge bilden etwa eine halbe Million Personenminen, die von beiden kriegführenden Seiten verlegt wurden, häufig ohne Verminungspläne. Dies hat zu zahlreichen Opfern unter Bauern und spielenden Kindern auch nach dem Krieg geführt und verhindert, dass Anbauflächen benutzt werden können. Fachleute schätzen, dass Berg-Karabach erst 2014 völlig minenfrei sein wird.
Am 6. Dezember 1994 beschloss der Budapester Gipfel der von den Vereinten Nationen mit der Vermittlung im Karabach-Konflikt beauftragten OSZE, die Einhaltung des Waffenstillstandes zu überwachen. Mit dieser Aufgabe beauftragte der amtierende OSZE-Vorsitzende einen persönlichen Stellvertreter, der seit 1995 zusammen mit seinen Helfern in regelmäßigen Abständen die „Kontaktlinie“ zwischen den aserbaidschanischen und karabach-armenischen Streitkräften kontrolliert. Der Persönliche Beauftragte des amtierenden OSZE-Vorsitzenden bildet die einzige politische internationale Vertretung im Konfliktgebiet.
Die von der OSZE beaufsichtigte Waffenruhe ist brüchig: Immer wieder gibt es an der so genannten Kontaktlinie, dem 1994 eingefrorenen einstigen Frontverlauf, bewaffnete Zwischenfälle und Provokationen, den jüngsten am 4. März 2008.
Ein politischer Rahmenvertrag als Grundlage einer dauerhaften Friedensregelung fehlt bis heute. Ersten direkten Vermittlungsversuchen der damaligen Präsidenten Russlands und Kasachstans folgten nach dem KSZE-Beitritt Armeniens und Aserbaidschans Anfang 1992 Bemühungen der so genannten Minsker Gruppe, einem aus elf Mitgliedsstaaten der KSZE/OSZE gebildeten Gremium. Ihm gehören außer Armenien und Aserbaidschan auch Deutschland, die Türkei, Russland sowie die USA an. Eine gewisse Neutralisierung der internen OSZE-Rivalitäten und damit eine Wiederbelebung des Minsker Prozesses trat ein, nachdem im März 1997 der Amtierende OSZE-Vorsitzende Russland, die USA sowie Frankreich zu einem Mit-Vorstand der Minsker Gruppe erhoben hatte. Auch die Verpflichtung der Konfliktparteien zu absoluter Vertraulichkeit während der Verhandlungen und zum Verzicht auf Stimmungsmache daheim trug zur Versachlichung und damit zur Erleichterung der Gespräche bei.
Berg-Karabach, der Hauptbetroffene und militärische Sieger, darf paradoxerweise nur als „interessierte Seite“ an OSZE-Sitzungen teilnehmen. Es verlangt aber seine Anerkennung als Konfliktpartei und damit seine volle Mitgliedschaft in der Minsker Gruppe. Dagegen akzeptiert Aserbaidschan einzig Armenien als Verhandlungspartner. Den Hauptstreitpunkt bilden jedoch die beiden völkerrechtlichen Grundsätze der territorialen Integrität sowie des nationalen Selbstbestimmungsrechts, wie sie jeweils Aserbaidschan bzw. Berg-Karbach, unterstützt von der Republik Armenien, für sich in Anspruch nehmen. Auch der Streit um die Abfolge der Verhandlungsgegenstände ist seit 1997 ungelöst. Während Berg-Karabach auf einer Paketlösung und vor allem auf der offiziellen Anerkennung seines Status als vertrauensbildender Vorleistung beharrt, sieht das „Stufenmodell“ zunächst den Abzug der karabach-armenischen Streitkräfte aus den besetzten Gebieten Aserbaidschans sowie die Rückführung der aus Karabach stammenden Flüchtlinge vor, bevor ein Referendum der armenischen und aserbaidschanischen Bevölkerung Karabachs über die Zugehörigkeit des Landes entscheiden darf. Auch die Frage des Territoriums zwischen dem einstigen AGBK und der Republik Armenien – der ehemalige „Latschiner Korridor“ sowie der nördlich angrenzende ehemalige Bezirk Kelbadschar – wurde bisher nicht geregelt.