Στις 24 Οκτωβρίου 1912, η V Μεραρχία υποχώρησε άτακτα προς την Κοζάνη, πιεζόμενη από ισχυρές οθωμανικές δυνάμεις. Το Γενικό Στρατηγείο, αξιολογώντας τη δυσκολία της κατάστασης, διέταξε την άμεση μετακίνηση του Αποσπάσματος Ευζώνων Γεννάδη από τη Λειψίστη (σημ. Νεάπολη) στην Κοζάνη, με σκοπό την ενίσχυση της άμυνας στην περιοχή. Μετά την αποχώρηση του Αποσπάσματος Ευζώνων, στην περιοχή Λειψίστης-Γρεβενών παρέμειναν δύο λόχοι πεζικού του 24ου Συντάγματος και Σώματα Προσκόπων. Στρατιωτικός Διοικητής ολόκληρης της περιοχής ορίστηκε ο Λοχαγός Πεζικού Νικόλαος Κατεχάκης, επικεφαλής των Σωμάτων Προσκόπων.

Στις 2 Νοεμβρίου, ενώ οι προσπάθειες ανασύνταξης των δυνάμεων στην περιοχή Λειψίστης-Γρεβενών βρίσκονταν σε εξέλιξη, έφτασε στη Σιάτιστα μια επιστολή από τον Οθωμανό Διοικητή της περιοχής Καστοριάς-Λειψίστης. Με την επιστολή αυτή, οι Οθωμανοί απαιτούσαν την παράδοση της Σιάτιστας εντός 24 ωρών. Υπό την απειλή της επίθεσης, το Γενικό Στρατηγείο αντέδρασε άμεσα, συγκροτώντας το Απόσπασμα Σιατίστης και θέτοντας επικεφαλής τον Αντισυνταγματάρχη Πυροβολικού Αντώνιο Ηπίτη. Παράλληλα, διατάχθηκε η αποστολή ενισχύσεων στην περιοχή. Όσον αφορά τα Γρεβενά, μια μικρή φρουρά περίπου 100 Πεζοναυτών του 24^ου Συντάγματος, μαζί με ένα σώμα υπό την ηγεσία του οπλαρχηγού Ιωάννη Καραβίτη, συγκρότησαν την άμυνα της πόλης.

Ο φρούραρχος των Γρεβενών επέλεξε να αναπτύξει τις διαθέσιμες δυνάμεις στα περίχωρα και εντός των τειχών της πόλης, παρά τις συμβουλές του έμπειρου Καραβίτη, ο οποίος είχε προτείνει την προώθηση του αποσπάσματος στη διαδρομή από το Κρίφτσι (σήμερα Κιβωτός) προς τα Γρεβενά, αναμένοντας επίθεση από εκείνη την κατεύθυνση, καθώς και την ανάπτυξη των στρατευμάτων του στους γύρω λόφους, με απώτερο σκοπό την αποφυγή της πολιορκίας της πόλης. Η απόφαση του διοικητή της φρουράς είχε ως αποτέλεσμα η μάχη να διεξαχθεί εντός των Γρεβενών, θέτοντας έτσι σε κίνδυνο τη ζωή των αμάχων που δεν είχαν απομακρυνθεί εγκαίρως.

Γύρω στις 19:00 της 3ης Νοεμβρίου, ενώ ο κύριος όγκος του Αποσπάσματος Σιατίστης είχε συγκεντρωθεί στο ομώνυμο χωριό, αναμένοντας τη λήξη του τελεσιγράφου και την έναρξη της επίθεσης, οθωμανικές δυνάμεις του Μπεκήρ Εφένδη, αποτελούμενες από περίπου 1.000 άνδρες, εξαπέλυσαν αιφνιδιαστική επίθεση στα Γρεβενά. Παρά τον αιφνιδιασμό, οι ελληνικές δυνάμεις αντιμετώπισαν την οθωμανική εισβολή με ψυχραιμία. Παρέμειναν στις θέσεις τους, αμυνόμενοι με σθένος και καθυστερώντας τον εχθρό, δίνοντας χρόνο στις γυναίκες, τα παιδιά και τους γέρους να διαφύγουν με ασφάλεια προς το Ελευθεροχώρι. Αφού διασφαλίστηκε η αποχώρηση των αμάχων, οι Έλληνες στρατιώτες άρχισαν σταδιακά να εγκαταλείπουν τις θέσεις τους και να οπισθοχωρούν, αφήνοντας την έρημη πόλη στους εισβολείς. Από τις πρώτες πρωινές ώρες οι Οθωμανοί λεηλάτησαν τα Γρεβενά, με τους στρατιώτες να λαφυραγωγούν και να καίνε καταστήματα και οικίες.

Η κατάκτηση των Γρεβενών από τους Οθωμανούς αποδείχθηκε πρόσκαιρη. Ήδη από την επόμενη μέρα, 4 Νοεμβρίου, οι οθωμανικές δυνάμεις υπέστησαν βαριές απώλειες στην αποτυχημένη προσπάθειά τους να καταλάβουν τη Σιάτιστα. Στις 5 Οκτωβρίου, μετά την επιτυχή υπεράσπιση της Σιάτιστας, η ελληνική παρουσία στην περιοχή ενισχύθηκε σημαντικά. Συγκεκριμένα, σώμα Ερυθροχιτώνων στάλθηκε βόρεια των Γρεβενών, στην περιοχή Άγιος Γεώργιος-Κιβωτός, ενώ δύο λόχοι του 24^ου Συντάγματος εγκαταστάθηκαν νότια, στο χωριό Αγιόφυλλο. Στους δύο αυτούς λόχους προστέθηκαν τρεις ακόμα, προερχόμενοι από τα Γρεβενά και τη Λειψίστη. Άλλοι, 300 άνδρες, 100 οπλίτες και 200 εθελοντές Κρητικοί, μετακινήθηκαν βόρεια των Γρεβενών, στο χωριό Μηλιά, ενώ παράλληλα, ο Διοικητής της V Μεραρχίας, Στέφανος Γεννάδης, ενημέρωσε τον Αντισυνταγματάρχη Ηπίτη να συγκεντρώσει δυνάμεις και να κινηθεί επιθετικά προσβάλλοντας Οθωμανικές θέσεις στα Γρεβενά και στη γύρω περιοχή.

Στις 6 Οκτωβρίου, οι λόχοι που παρέμεναν στο Αγιόφυλλο ενημέρωσαν τον Διοικητή του 24ου Συντάγματος για την αποχώρηση από τα Γρεβενά ισχυρών οθωμανικών δυνάμεων, αποτελούμενων από περίπου 2.000 στρατιώτες, 2 πυροβόλα και 50 ιππείς. Την επόμενη μέρα, 7 Οκτωβρίου, ο Διοικητής του 24ου Συντάγματος διέταξε την αποστολή μικρής αναγνωριστικής ομάδας για την εκτίμηση της κατάστασης στα Γρεβενά. Η ομάδα προωθήθηκε στα Γρεβενά και κατέλαβε την πόλη αμαχητί. Το Σώμα Ερυθροχιτώνων παρέμεινε στην περιοχή Άγιος Γεώργιος-Κιβωτός-Κοκκινιά, ενώ οι 300 άνδρες από τη Μηλιά μετακινήθηκαν προς το Μέτσοβο.