В июне 1854 года Горчакова назначили на очень важный пост посланника в Вене, но здесь ему не удалось добиться благожелательного для России нейтралитета Австрии в Крымской войне. В этой войне Россия стремилась захватить Константинополь, установить свой контроль над Черноморскими проливами и превратить Черное море в «русское озеро». Однако очень скоро выяснилось, что Англия и Франция стремились не допустить этого и уничтожить русский Черноморский флот – основное орудие для захвата Константинополя. Англо-французский флот вошел в проливы. Противостоять ему русский Черноморский флот, одержавший последнюю в истории России крупную морскую победу при Синопе над турками, никак не мог. В марте 1854 года Англия и Франция, после отказа Николая I вывести войска из Молдавии и Валахии, объявили войну России. К счастью, планов аннексии каких-либо русских территорий западные союзники не имели. Не собирались они лечить и «больного человека Европы» – Турцию, хотя волей судьбы и стали ее союзниками.
На Горчакова была возложена задача удержать Австрию от антироссийских действий. Однако Вена слишком опасалась российской гегемонии на Балканах в случае захвата Константинополя русскими войсками и сокрушения Турции. Император Николай I также не верил в удачный исход миссии Горчакова и, провожая его в Вену, заявил: «Я доверяю Вам. Но я совсем не надеюсь, что Ваши усилия увенчаются успехом». Вскоре Горчаков информировал Петербург о стягивании австрийских войск к границам Дунайских княжеств. Это создавало угрозу русским войскам, оккупировавшим княжества. Под влиянием совместного ультиматума Австрии и Пруссии русские войска вынуждены были уйти за Дунай, и Горчаков никак не смог повлиять на позицию Вены и предотвратить неблагоприятное для России развитие событий. В прямом же вступлении в войну Вены и Берлина в Лондоне и Париже не были заинтересованы. Это грозило всеевропейской войной, катастрофическим ослаблением России и переделом сфер влияния и границ на континенте, к которому Англия и Франция не были готовы.
В декабре 1854 года Горчаков представлял Россию на конференции в Вене послов всех воюющих государств. Он стремился смягчить выдвигаемые союзниками требования в отношении будущего мирного договора. Горчакову удалось завязать тайные переговоры с представлявшим Наполеона III графом Морни, но это уже никак не повлияло на условия мира. Под нажимом Австрии, грозившей вступить в войну на стороне коалиции, в марте 1856 года был подписан Парижский мирный трактат, по которому Россия лишилась права иметь военный флот на Черном море.
В 1856 году, после заключения Парижского мира, главный недоброжелатель Горчакова Нессельроде ушел в отставку. На него была возложена ответственность за дипломатическую изоляцию, в которой Россия оказалась в ходе Крымской войны. 15 апреля 1856 года Горчаков был назначен императором Александром II министром иностранных дел. Император высоко оценил деятельность Горчакова в Вене. Международная ситуация, в которой он принял руководство российской дипломатией, была для России неблагоприятной. Результатом Крымской войны стала утрата Россией последних следов европейской гегемонии, обретенной в 1814 году после победы над Наполеоном I. Эта гегемония постепенно сошла на нет уже к концу 20-х годов из-за экономической слабости Российской империи, вызванной сохранением крепостничества, и начавшегося военно-технического отставания страны от других великих держав. После Крымской войны на полтора десятилетия Россия была также обречена на второстепенную роль в решении «Восточного вопроса» – вопроса влияния на Балканах и контроля над Черноморскими проливами. Действительно же великой мировой державой Россия перестала быть почти на столетие – вплоть до Второй мировой войны. Поражение Франции во франко-прусской войне 1870–1871 годов позволило России ликвидировать наиболее тяжелые статьи Парижского мира и восстановить свой флот на Черном море, но роль первоклассной военной и тем более военно-морской державы ей более не пришлось играть никогда в своей истории.
К счастью для России, с захватом Севастополя цель войны для Франции и Англии была полностью достигнута. Они с готовностью вернули России все завоеванное в Крыму и весьма умеренно вознаградили Турцию Южной Бессарабией, где преобладало турецкое и татарское население. Точно так же для Российской империи война утратила смысл еще раньше – даже не после падения Севастополя, а когда в осажденном городе пришлось затопить Черноморский флот.