По русским данным, 8 (20) сентября 1854 г. вражеская эскадра у мыса Лукулл состояла из 21 линейного корабля (из них 8 винтовых), 13 фрегатов и 33 пароходов. Союзнические пароходо-фрегаты имели до 20 орудий и машины мощностью от 400 до 600 л.с. Русский флот имел 14 линейных кораблей, примерно половина из которых была старой постройки, 7 пароходо-фрегатов, имевших от 6 до 13 орудий и машины мощностью от 220 до 400 л.с., паровой корвет с машиной в 120 л.с. и 6 орудиями на борту и 3 бывших каботажных слабых парохода, имевших слабое вооружение.
9 (21) сентября на военном совете из флагманов флота и командиров кораблей Корнилов предложил атаковать союзнический флот, но не был поддержан большинством командиров, предложивших затопить часть старых судов поперек входа в бухту и перевести экипажи и вооружение на укрепление берегового фронта крепости. Это решение, несмотря на сопротивление командующего флотом, было поддержано и князем Меншиковым. «Если же придется умирать, — сказал он, — то не лучше ли тогда, когда будут истощены все средства к защите, от чего мы еще далеки. Геройскую решимость честных моряков я постараюсь употребить с большею пользою на защиту Севастополя». Корнилов, с самого начала считавший, что крепость нужно защищать до последнего и любой ценой, до конца отстаивал свой план, и окончательно согласился пойти на перекрытие фарватера Севастополя только после того, как Меншиков пригрозил ему отстранением от должности.
В результате уже утром 9 (21) сентября на входе в рейд были затоплены пять старых линейных кораблей и два фрегата, создав, таким образом, препятствие для прорыва союзной эскадры в бухту. Это было сильнейшим потрясением для моряков. С части кораблей не успели снять артиллерию — до последнего момента опасались, что она может понадобиться в случае попытки прорыва противника на рейд. Кроме того, снятие тяжелых морских орудий и перевозка их на берег потребовала бы много времени. Большинство кораблей затопили без затруднений, но вот старый линкор «Три Святителя» никак не хотел идти на дно. Тогда к нему приблизился пароход «Громоносец», с борта которого в упор было сделано несколько выстрелов. Увидев это, стоявшие на берегу люди зарыдали.
Строительством новых укреплений руководил Тотлебен. Адмиралы Корнилов, Нахимов и Истомин, возглавившие оборону города, мобилизовали все имевшиеся в их распоряжении силы, включая население (в 1854 г. в городе проживало 45 тыс. чел.), для строительства укреплений на подступах к Севастополю, созданных в течение нескольких дней и ночей — работы не останавливались ни на час. Орудия устанавливались при первой возможности их использовать, на недостроенных еще батареях, даже пороховые погреба старались сделать поскорее — иногда для них использовали корабельные металлические цистерны, зарывая их в землю за позицией каждого орудия — это давало возможность рассредоточить боеприпасы. Артиллерия и экипажи были направлены на сухопутный фронт. Свыше 10 тыс. матросов существенно укрепили оборону города. Остальные корабли Черноморского флота были расставлены таким образом, что могли поддерживать своим огнем оборонительные позиции, и сохранялись вплоть до взятия противником Малахова кургана. Особенно активными в конце 1854 г. — начале 1855 г. были 10 русских пароходов (11-й — «Корнилов», бывший «Перваз-Бахри», находился в капитальном ремонте). Они постоянно обстреливали позиции противника, в том числе и новейшим для того времени способом — морские артиллеристы начали стрелять перекидным огнем по невидимым для них позициям. Для этого на берег направлялись офицеры и сигнальщики, корректировавшие стрельбу.
Несколько дней передышки, использованных для создания линии обороны, по общему мнению защитников Севастополя, спасли его от падения в сентябре 1854 г. И всё же гарантии успеха не было. «Малочисленный гарнизон наш, растянутый на обширной семиверстной позиции, — отмечал Тотлебен, — был повсюду слаб». Положение было весьма тяжелым. «Должно быть, Бог не оставил еще России, — писал в эти дни в своем дневнике Корнилов. — Конечно, если бы неприятель прямо после Альминской битвы пошел на Севастополь, то легко бы завладел им». Союзники отказались от планов атаки Северной стороны, опасаясь серьезных потерь при штурме ее фортов. Южная сторона казалась им более доступной, так как, по их данным, она не имела укреплений, линия возможного фронта русской обороны была здесь более протяженной и, следовательно, давала больше шансов на успех. Кроме того, к Южной стороне были более близки удобные для стоянок флота гавани, в то время как Северная таковых поблизости не имела.
13 (25) сентября англо-французская армия появилась перед Южной стороной города. Союзникам сразу же стало ясно, что взять русскую военно-морскую базу с ходу не удастся.