Nga, nước Cộng hòa lớn nhất trong số các quốc gia thuộc Liên bang Xô Viết cũ, đóng vai trò khá rối rắm trong cuộc chiến. Các thành viên thuộc phe cứng rắn của chính quyền Xô viết ban đầu ủng hộ Azerbaijan trong giai đoạn đầu của cuộc chiến, vì "cho tới khi Liên Xô sụp đổ...Azerbaijan là thành lũy cuối cùng của chủ nghĩa Cộng sản chân chính ở Caucasus."[29] Một đạo quân gồm 23 ngàn người đóng tại căn cứ quân sự số 102 của Nga, gần Gyumri, trong suốt cuộc chiến. Tại Azerbaijan, quân Nga đẩy nhanh việc rút quân sau cuộc đột kích vào Khojaly và hoàn thành việc rút quân năm 1993, một năm sớm hơn dự kiến. Về mặt chính thức, Nga đứng trung lập trong cuộc chiến, nhưng cả hai phe tham chiến đều cáo buộc Nga thiên vị phe kia.[31]

Trong khi phía Azerbaijan tố cáo việc các đơn vị quân Nga đóng tại Armenia tham gia các chiến dịch của phía Armenian tấn công các vị trí quân Azerbaijan, phía Armenia tuyên bố chiến sĩ Nga trong hàng ngũ họ là quân tình nguyện. Ngày 11 tháng 9 năm 1992, quân Azerbaijan bắt được 6 lính đặc nhiệm Nga (spetznaz) thuộc Quân đoàn 7 Nga đóng tại Armenia gần làng Merjimek ở Kelbajar. Những người này cho biết được trả lương bằng đồng rúp Nga bởi Bộ Quốc phòng Armenia để hoạt động ở Srkhavend, Nagorno-Karabakh, tháng 6 năm 1992. Các binh lính người gốc Armenia phục vụ trong Sư đoàn 127 của Nga đóng tại Armenia cũng bị bắt giữ ở tỉnh Kelbajar, Azerbaijan vào tháng 1 năm 1994.[68] Tuy nhiên, Markar Melkonian, em trai của Monte Melkonian, cho biết người Nga hoan nghênh các chiến thắng của người Armenian, bao gồm cả ở Kelbajar:

Cuộc tấn công của người Armenia xảy ra ở thời điểm các mối đe dọa quân sự với nước Nga gia tăng: Washington muốn bành trướng NATO tới tận cửa ngõ phía tây nước Nga, đặt căn cứ quân sự ở Trung Á, bãi bỏ Hiệp ước Chống tên lửa đạn đạo. Chechnya ngấp nghé trên bờ cuộc nổi dậy đòi ly khai... nước Cộng hòa Gruzia, mới giành được độc lập, đang bị chia cắt trong cuộc nội chiến. Và nay thì Azerbaijan, một nước Cộng hòa Sô Viết cũ, lại một lần nữa quay về hướng kẻ thù truyền kiếp của nước Nga: Thổ Nhĩ Kỳ... Chỉ có Armenia mang lại hy vọng một đồng minh đáng tin cậy của Nga ở sườn nam dãy Caucasus.[31]

Mặc dù người ta đều biết rằng người Nga, cùng với các nhóm dân thiểu số thuộc Liên Bang Xô Viết cũ, chiến đấu ở cả hai phía với tư cách lính đánh thuê, sự ủng hộ quân sự của Nga về mặt chính thức chỉ được các nhân chứng kể lại. Các đơn vị quân Nga được cho là đã hợp tác với các đơn vị Armenia đánh chiếm Khojaly, và tương tự như vậy, hợp tác với quân Azerbaijan trong chiến dịch mùa hè 1992. Nhưng thậm chí sau khi trung đoàn 366 được chính thức rút khỏi Karabakh, rất nhiều lính đánh thuê người Nga tiếp tục chiến đấu trong hàng ngũ quân Armenian, vì họ không thấy có tương lai cho việc trở về nước Nga. Phóng viên tờ Boston Globe chứng kiến là rải rác đây đó có kha khá binh lính không phải người Armenia ở trong và xung quanh Stepanakert. Trong số đó phải kể đến thiếu tá Yury Nikolayevich, chỉ huy phó trung đoàn 366 cơ giới, đã bỏ sang hàng ngũ quân Armenia cùng với một số lớn khí tài của trung đoàn mình.[16]