Николай I скептически относился к возможности десанта в Крыму и не верил в необходимость создания укреплений, нацеленных на отражение атаки Севастополя с суши. В результате состояние Севастопольской крепости на 11 (23) сентября не позволяло надеяться на отражение атаки с суши. Проект укрепления города был утвержден императором в 1834 г. — он предусматривал строительство 7 бастионов, замкнутых с горжи казармами и соединенными между собой оборонительными стенами. При этом особое внимание строителей по приказу императора было сосредоточено на укреплении берегового фронта крепости. Строительство береговых батарей было в основном закончено в 1845 г. Это были солидные для своего времени укрепления, имевшие по проекту на вооружении на момент сдачи в строй 533 орудия. К 1854 г. из сухопутных укреплений крепости были готовы только Северное укрепление, бастион № 7 и несколько оборонительных казарм на месте проектировавшихся бастионов. Достаточно отметить, что за период 1834–1844 гг. на береговой фронт крепости было израсходовано 2484 тыс. рублей, в то время как на сухопутный — только 17 тыс. рублей. Строительство новых укреплений, к которому приступили с началом войны, шло крайне медленно.
Из проектной линии обороны сухопутного фронта крепости в семь верст построенные укрепления прикрывали лишь одну четвертую. К моменту высадки союзников на вооружении сухопутного фронта Южной стороны крепости находилось 145 орудий, преимущественно средних и мелких калибров. К каждому имелся запас в 30 обыкновенных зарядов и 10 картечных. Артиллерия была расположена за слабыми насыпями или вообще стояла без всякой защиты. На Малаховом кургане, ключевой позиции обороны города, стояла лишь каменная башня с пятью 18-фунтовыми орудиями. Северная сторона, откуда ожидали атаки неприятеля, была почти беззащитна. Как отмечал Тотлебен, несмотря на безостановочную работу над укреплениями и безусловное мужество войск, «положение обороняющихся было безнадежное».
Укрепления морского фронта крепости состояли из 13 батарей и фортов, имевших на вооружении 611 орудий, из которых на 1 сентября 1854 г. было только 28 бомбических трехпудовых пушек и 166 пудовых единорогов. Таким образом, большинство орудий на береговых батареях было калибра от 36 до 12 фунтов. Этого было недостаточно для отражения атаки мощного союзного флота. В августе 1853 г. по приказу вице-адмирала В. А. Корнилова восемь линейных кораблей Черноморского флота двумя колоннами с десантом на баркасах провели примерную атаку Севастопольской бухты под холостым огнем береговых батарей. Маневры указали на недостатки укреплений и слабость их артиллерийского вооружения.
Визит 25 декабря 1853 г. (5 января 1854 г.) «Ретрибьюшн» — формально нейтрального судна — ускорил оборонительные работы и ужесточение мер по охране рейда. Иностранным военным кораблям был запрещен вход в Севастополь. В январе 1854 г. было завершено строительство еще нескольких береговых батарей, вооруженных 80 орудиями, увеличено количество бомбических орудий. Однако и этого оказалось недостаточно. В августе 1854 г. были проведены стрельбы по учебной мишени — старому бригу, потопить который при движении на внутренний рейд не удалось. Не был полностью укомплектован и состав рот крепостной артиллерии. На май 1853 г. они должны были иметь 3252 чел. (из расчета на 533 орудия), в то время как среднесписочный состав четырех с половиной роты артиллерийского гарнизона в 1852–1854 гг. колебался от 996 до 1018 чел. Уже в конце декабря 1853 г. артиллерийские расчеты пришлось пополнять матросами 37-го флотского экипажа, солдатами инженерной военно-рабочей роты, рабочих экипажей, солдат резервной бригады 13-й пехотной дивизии.
Таким образом, и береговая оборона крепости не была вполне надежной. Она вполне обеспечивала базу Черноморского флота от обстрелов с моря или демонстрации со стороны турецкой эскадры, но не гарантировала успеха в случае решительного штурма сильного союзнического флота с его опытными командирами и хорошо обученными экипажами. Между тем адмиралы союзников, получив 9 апреля 1854 г. известие об объявлении войны, попытались активизировать свои действия. Союзные суда начали появляться перед русскими портами. До этого англо-французы в основном ограничивались конвоем турецких транспортов с войсками, боеприпасами и продовольствием. Угроза атаки нарастала.
Летом в Севастополь приехал один из лучших русских фортификаторов того времени — подполковник Тотлебен. После осмотра имевшихся оборонительных сооружений, он, судя по всему, поначалу пришел в ужас. 15 (27) августа, закончив объезд крепости, он заметил: «С сухопутной стороны Севастополь весьма доступен, если до появления неприятеля ограничиться существующими укреплениями; укрепления эти состоят из нескольких батарей, вооруженных орудиями весьма малого калибра, которые могли бы только оказать некоторое сопротивление татарам». Схожие идеи были изложены и в донесении Меншикова императору от 29 августа (10 сентября) 1854 г. Только Южная сторона признавалась удобной к защите.