Нахимова в это время беспокоили запальные трубки Лехнера для бомб, присланных из столицы, ибо на учебных стрельбах лишь три бомбы из десяти взорвались при попадании в щит. 1 мая моряки провели удачный взрыв мины на рейде Севастополя. Однако все это были эксперименты. Мины так и не удалось применить, а трубки, изготовленные в Николаеве, по-прежнему взрывались не вовремя, даже вблизи дула пушек.
Вице-адмирала огорчила статья, перепечатанная «Русским Инвалидом» из иностранного журнала, в которой было написано, что Черноморский флот сильнее союзных, но боится выйти в море. Он прекрасно понимал, что против 12 парусных линейных кораблей и 6 пароходов неприятель имел 19 только винтовых кораблей и 7 пароходов, которые имели явное преимущество перед парусниками. Флагман считал, что Корнилов, намереваясь выслать его эскадру в море, чрезмерно рискует. Начальник штаба Черноморского флота полагал, что при встрече с превосходящим противником корабли успеют вернуться в Севастополь. Но Нахимов опасался, что бегство от неприятеля понизит дух команд. Если бы флот конвоировал транспорты, то при встрече с превосходящим противником пришлось бы либо сразиться и лишиться флота, либо бросить беззащитные суда. Разумеется, такие мысли вице-адмирал высказывал лишь в узком кругу, не обсуждая открыто приказы.
1 июля Корнилов поручил П. С. Нахимову сформировать для усиления десантных стрелковых батальонов еще два резервных из моряков 4-й и 5-й дивизий, а также поручил определить число ружей на кораблях для использования в случае необходимости.
Необходимость эта приближалась. Если русские принимали меры к обороне Севастополя, то союзники готовились к нападению. Еще весной англо-французские экспедиционные войска высадились в Галлиполи у Дарданелл. Летом их перевезли в Варну. Попытки действий в Добрудже кончились потерей половины отряда от холеры. Когда русские полки отошли от Дуная в пределы России, экспедиционные войска в Варне продолжали нести потери от болезней, пока правительства Франции и Англии не договорились об организации высадки в Крыму для уничтожения Черноморского флота. 31 августа, наконец, было избрано место десантирования южнее Евпатории. На следующий день армада из 89 боевых судов и 300 транспортов подошла к берегам Крыма. Ее движение русские адмиралы наблюдали с вышки морской библиотеки в Севастополе, а начало выгрузки войск видел лейтенант В. Стеценко, оказавшийся с разъездом казаков в месте высадки.
Немедленно были приняты меры к отражению вторжения. 1 сентября Корнилов предписал Нахимову, чтобы все суда его эскадры состояли в полной готовности сняться с якоря во всякое время. Уже на следующий день Нахимов сообщил Корнилову диспозицию эскадры при выходе в море одной или двумя колоннами. В тот же день он получил приказ начальника штаба флота о приведении кораблей в боевую готовность и формировании батальонов из экипажей. 7 сентября Корнилов назначил на случай тревоги начальником войск на северной стороне контр-адмирала Истомина, а на южной — контр-адмирала Панфилова; общее начальство над флотом и морскими батальонами в отсутствие Корнилова было поручено Нахимову.
Высадка союзников, Альминское сражение и уход армии создали критическое положение в Севастополе. Только задержка движения неприятельских войск позволила защитить город с суши орудиями и моряками, занявшими наскоро построенные укрепления. Чтобы преградить путь противнику в бухту, 11 сентября между Константиновской и Александровской батареями были затоплены 5 старых кораблей и 2 фрегата, в спешке на них оставили артиллерию. В тот же день Меншиков поручил Корнилову оборону северной, а Нахимову — южной стороны. Начиналась героическая оборона Севастополя.
12 сентября Нахимов рапортовал адмиралу М. Н. Станюковичу, что не в состоянии совмещать обязанности, и просил передать командование эскадрой младшему флагману. Однако Меншиков приказал отменить назначение вице-адмирала командиром морских команд на берегу и предписал оставаться на рейде с флагом.
Несколько дней судьба Севастополя висела на волоске. Город, оставленный армией, был почти беззащитен и мог стать легкой добычей противника. Ожидая неизбежного, по его мнению, захвата города с суши, Нахимов решил защищать главную базу на берегу, а оставшиеся корабли затопить, чтобы они не достались врагу. Решительный на море, вице-адмирал на сухом пути избрал, как ему казалось, наилучший выход, чтобы выполнить приказ о защите южной стороны. 14 сентября он отдал приказ № 129: