Учащенный артиллерийский обстрел длился затем 15 дней, с 9 по 24 августа. Мы теряли ежедневно по 500–700 человек, союзники в среднем по 250. Обескровленный гарнизон не был в состоянии исправлять повреждения, силы его быстро падали: батальоны в 200–300 штыков, полки в 500–800 строевых стали обычным явлением. К 20 августа французы придвинули свои апроши на 60 шагов от Малахова кургана, англичане подошли на 200 шагов к III бастиону — всегдашнему объекту тщетных своих усилий. Пылкий Пелисье решил нанести изнемогавшей крепости последний удар.
На рассвете 24 августа открылся трехдневный огненный ад шестого усиленного бомбардирования. 24, 25 и 26 августа неприятелем было выпущено 150 000 снарядов (мы смогли ответить едва 50 тысячами — одним выстрелом на три). Мы лишились в эти три дня 8000 человек, батареи Малахова кургана и II бастиона вынуждены были замолчать. Держаться дальше в этих развалинах было немыслимо и без штурма. 27 августа ровно в полдень (по часам Пелисье) 58 000 англо-французов внезапно ринулись в атаку. У нас на всем сухопутном фронте крепости было 49 000 штыков. После жестокого боя союзники были отовсюду отбиты, однако дивизии Мак-Магона удалось взять Малахов курган и сохранить его за собой, несмотря на отчаянные наши усилия вырвать его обратно. Не помогло самоотвержение командиров (тут легли все старшие начальники 9-й, 12-й и 15-й дивизий), ни героизм горсточки модлинцев, державшихся, несмотря ни на что, против всей неприятельской дивизии в развалинах Малаховой башни.
На Малаховом кургане находилась 15-я дивизия (всего 2000 штыков и Орловский полк — 500 штыков). В резерве — остальные три полка 9-й дивизии (2400 штыков). Штурма в этот обеденный час никто не ожидал, и остававшиеся на Малаховом 8 неподбитых пушек были заряжены не картечью, а ядрами. Выпрыгнувшая в сорока шагах из траншей французская бригада венчала вал в несколько секунд, не испытав ни одного картечного выстрела и раньше, чем защитники успели стать на банкеты. Здесь завязалась отчаянная рукопашная свалка. От генерала до рядового дрались чем попало. На выручку остатков 15-й дивизии и части 9-й подоспели Ладожский, Азовский и Одесский полки, но все усилия вырвать Малахов из рук врага остались тщетными. Был ранен Хрулев, командовавший войсками на Корабельной, ранены начальники дивизий: 9-й — генерал Лысенко и 12-й — генерал Мартинау, а начальник 15-й дивизии генерал Юферов заколот штыком. Потеряв своих начальников, остатки наших полков продолжали отчаянно биться, не сходя с места. Засевшие в развалинах башни несколько десятков модлинцев держались здесь до последнего патрона, несмотря на то что французы пытались выкуривать их оттуда дымом (по примеру Пелисье, задушившего в Африке дымом целое племя кабилов). Французы ворвались было на II бастион, но выбиты оттуда белозерцами, а три последующих штурма были отражены подоспевшей туда 8-й дивизией генерала Сабашинского. Из промежуточной куртины между II бастионом и Малаховым французы выбиты севцами, а за батареей Жерве (между Малаховым и III бастионом), которую им с налета удалось взять, остановлены Костромским полком. Англичане остановлены на III бастионе Камчатским полком и опрокинуты оттуда селенгинцами. Союзники не отважились атаковать грозный IV бастион, опасаясь фугасов и контрмин, и штурмовали V, но были отражены оттуда подольцами и житомирцами. Видя, что приступ отбит по всей линии, Пелисье отчаялся в успехе и послал Мак-Магону приказание очистить Малахов курган и отойти в исходное положение. Мак-Магон ответил на это исторической фразой: «Я здесь нахожусь — здесь и останусь». Его упорство решило участь Севастополя… Начальство над арьергардом принял генерал Шепелев, заместивший раненого Хрулева. Стрельба с укреплений, занятых охотниками, производилась всю ночь. Мы лишились 27 августа без малого 13 000 человек (5 генералов, 419 офицеров, 12 488 нижних чинов) — 26,5 процента всего гарнизона. На арсеналах, складах и укреплениях оставлено, потоплено и заклепано 3839 пушек. У союзников, по их словам, выбыло 10 000 человек (7576 французов, 2451 англичанин). Их урон должен превосходить наш — из 18 пошедших на приступ французских генералов 5 убито, 11 ранено, уцелело лишь двое.
Лично убедившись в невозможности продолжать борьбу, Горчаков решил воспользоваться утомлением союзников и отбитием штурма на всех прочих пунктах и приказал начать отступление с южной стороны. Отступление под прикрытием надежных арьергардов началось в 7 часов вечера и продолжалось всю ночь. При свете пожаров и непрестанно следовавших взрывов войска переходили бухту по двум плавучим мостам. Арьергарды парализовали все попытки неприятеля дебушировать из Малахова кургана и начать преследование. Последним сошел с укреплений Тобольский полк.
В эту ночь на 28 августа были затоплены последние остатки Черноморского флота. В дни 28-го и 29-го взорваны укрепления приморского фронта, и 30 августа неприятель допущен к занятию груды обгорелых развалин, которой являлся Севастополь на двенадцатом месяце своей геройской защиты.