Корнилов на белом коне, в мундире, ежедневно объезжал все участки оборонительной линии, следил за работами, указывал на недостатки, обращал внимание на главное.
18 сентября на Северной стороне Севастополя показалась, наконец, армия Меншикова. По требованию Корнилова в состав севастопольского гарнизона были включены три пехотных полка и две лёгкие артиллерийские батареи. За три недели с 15 сентября по 5 октября было выстроено более двадцати батарей, и артиллерийское вооружение укреплений возросло до 340 орудий. Неприятель все эти дни готовился к штурму, надеясь на успех.
По усиленным приготовлениям в лагере врагов Корнилову стало ясно, что противник готовится к решительной атаке. «Завтра будет жаркий день», — проговорил он вечером 4 октября.
Наступило 5 октября 1854 года — «день крещения Севастополя огнём и железом». С рассветом заговорили сотни орудий, разгорелась ожесточённая артиллерийская дуэль. Корнилов и Нахимов с первыми же выстрелами прибыли на оборонительную линию. Корнилов в мундире поскакал на четвёртый бастион, против которого враг направил главный удар. Под шквальным огнём Корнилов подходил к каждому орудию, общался с солдатами и матросами, пояснял им задачи, поднимал их боевой дух. На пятом бастионе матросы и солдаты горячо встретили Корнилова, а когда он уехал, солдаты восхищённо проговорили: «Вот так генерал, отец родной, а не генерал».
Спустя три часа после начала артиллерийского поединка огнём русских батарей был взорван пороховой погреб французов. Вскоре замолчали все французские батареи. Жарко было у Истомина. Около 11 часов дня Корнилов прибыл к нему на третий бастион. Несмотря на большие потери, защитники бастиона сражались мужественно и отважно. С третьего бастиона под огнём неприятеля Корнилов направился на Малахов курган, где шла ожесточённая перестрелка. До полудня оставалось полчаса. На Малаховом кургане его встретило громкое матросское «Ура!». Обращаясь к экипажу, Корнилов ответил:
— Будем кричать «Ура!», когда собьём английские батареи.
Град неприятельских снарядов осыпал укрепления, батареи, блиндажи Малахова кургана. Подбодрив защитников, дав советы Истомину, Корнилов направился к лошади, собираясь ехать к Бутырскому полку в Ушакову балку. В этот момент он был сражён вражеским ядром. Несколько офицеров бросились к нему, подняли его на руки. «Отстаивайте же Севастополь!» — проговорил Корнилов.
Смертельно раненного адмирала отвезли в госпиталь. В полном сознании расставаясь с жизнью, Корнилов, не унывая, достойно встретил последний час.
— Я счастлив, что умираю за отечество и царя, — сказал он забежавшему проститься гардемарину Новосильцеву, брату жены.
Быстро оформив подорожную, Новосильцев заехал в госпиталь в ту минуту, когда лейтенант Львов привёз с Малахова кургана радостную весть — «Батареи англичан сбиты ».
Лицо Корнилова преобразилось, он приподнялся:
— Ура! Ура!
Это были его последние заветные слова, и через несколько минут его не стало.