Новое обострение ситуации произошло осенью 1990 года: 20 сентября парламент Южной Осетии провозгласил создание республики, а 10 декабря 1990 года верховный совет Грузии вообще упразднил Южную Осетию. На следующий день, 11 декабря, появились первые жертвы: в Цхинвали в столкновении грузин с осетинами погибли три человека. В тот же день Грузия ввела в Цхинвали и Джавском районе автономии чрезвычайное положение.
В ночь с 5 на 6 января 1991 года Грузия ввела в Цхинвали подразделения милиции и национальной гвардии. Осетинские отряды самообороны и местная милиция оказали ожесточенное сопротивление, и 26 января 1991 года грузинские силы вынуждены были оставить город.Спорадические боестолкновения продолжались весь 1991 год, к защитникам Цхинвали начали присоединяться добровольцы из Северной Осетии и казачьих регионов России. Попытка центральных властей СССР навести порядок не увенчалась успехом — в том числе и из-за того, что многие боеспособные части внутренних войск и армии были заняты в других районах межнациональных конфликтов.
В ходе боев грузины так и не смогли использовать свое тактическое преимущество, заключавшееся в том, что грузинские села располагались на высотах, окружавших Цхинвали. Слабая подготовка и отсутствие управляемости различных вооруженных формирований Грузии приводили к частым поражениям в стычках с осетинами. В то же время осетинская сторона, вынужденная сражаться в окружении и испытывавшая острый дефицит оружия и боеприпасов, успешно применяла тактику диверсионных рейдов мелких, но хорошо подготовленных групп, наносивших грузинским отрядам большой ущерб.
В феврале 1992 года обстановка вновь резко обострилась: грузинские формирования после распада СССР смогли захватить военную технику и имущество Закавказского военного округа и начали интенсивные обстрелы Цхинвали с применением бронетехники и крупнокалиберной артиллерии. Тем не менее все попытки захватить город оказались неудачными.
Боевые действия окончательно прекратились 14 июля, когда в Южную Осетию вошли российско-грузинско-осетинские миротворческие силы. Основу российского контингента составлял 104-й парашютно-десантный полк 76-й (Псковской) воздушно-десантной дивизии.
По разным оценкам, с декабря 1990 по июль 1992 года в результате конфликта погибло от 2 тыс. до 4 тыс. человек.