Тем временем строительство русских укреплений завершалось в присутствии армии противника. Солдаты и матросы, женщины и дети трудились без остановки, ежеминутно ожидая штурма. «Мы и день, и ночь работали в виду неприятеля, — писал 18 (30) сентября 1854 г. Тотлебен, — и нам удалось вооружить батареи 200 орудиями». Их количество на линии обороны выросло со 172 до 341, в основном за счет крупнокалиберных и дальнобойных. Войска объезжал Корнилов, обратившийся к защитникам со следующими словами: «Ребята! Царь надеется, что мы отстоим Севастополь, да и некуда отступать нам: позади нас море, впереди — неприятель. Князь Меншиков обошел его, и как только неприятель нас атакует, наша армия ударит на него с тыла. Помните же — не верьте отступлению. Пусть музыканты забудут играть ретираду; тот изменник, кто протрубит ретираду! И если я сам прикажу отступать — коли меня!»
Корнилов, конечно, был реалистом. Говоря так, он не забывал о необходимости подготовки к возможной эвакуации города. По приказу адмирала в глубоком секрете были подготовлены соответствующие планы, централизовано руководство всеми перевозочными средствами. Разумеется, усиливалась и оборона. К 4 (16) октября на бастионах сухопутного фронта стояло уже 340 орудий, преимущественно крупного калибра. Для того чтобы рассчитывать на успех в борьбе с ними, англичане и французы, не имевшие осадной артиллерии, вынуждены были разоружить часть своих кораблей и направить морские орудия на осадный фронт.
К 24 сентября (6 октября) гарнизон Севастополя насчитывал 34 928 солдат, 657 офицеров и 5 генералов. В действующем отряде Меншикова находилось 25 094 солдата, 572 офицера и 6 генералов. 30 сентября (12 октября) он был назначен Главнокомандующим Крымской армией. К 1 (13) октября численность англо-французов в Крыму равнялась 61 тыс. чел., турок — 6 тыс. чел.
5 (17) октября союзники подвергли город первому артиллерийскому обстрелу с суши и с моря. Он был таким интенсивным и мощным, что части, стоявшие в 15 верстах от города, отчетливо слышали выстрелы орудий, сливавшиеся в беспрерывный гул. «Храбрые моряки и артиллеристы, свидетели этого ужасного боя, единогласно утверждают, — вспоминал участник обороны, — что 5 октября было днем „страшного суда и гнева Божия“. Смерть пировала на всех концах города, и не было места и уголка в Севастополе, где бы ни лопались бомбы и не бороздили по земле ядра неприятельские. Корабельная и артиллерийская слободки (на концах города), как ближайшие к неприятельским батареям, были почти уничтожены; адмиралтейство и знаменитые доки, казармы, улицы Екатерининская, Большая и Малая Морская, Театральная площадь, бульвар, Графская пристань и прочее — были заброшены снарядами. Везде лопались снаряды разрывные, сыпались осколки их и даже камни мостовой выворачивались под ядрами. Сторона Северная представляла ту же картину. Воздух гудел, и земля тряслась под оглушительным ревом батарей с суши и моря, а по временам солнце застилалось от дыма и не видно было ничего, кроме огней, сверкавших из орудий неприятельских». Бомбардировка не принесла ожидаемого легкого успеха.
Впрочем, относительно атаки с моря особых надежд на успех не было. «Я абсолютно уверен, — писал накануне британский вице-адмирал Дж. Дондас, — что эта атака будет бесполезной для армии и, что в высшей степени вероятно, разрушительной для наших судов, но я не уклонюсь от того, что лорд Раглан считает средством взятия Севастополя». Эти опасения оправдались. В бомбардировке с моря приняли участие 14 французских, 11 английских и 2 турецких линейных корабля и ряд более мелких судов. Действуя одним бортом, противник имел 1243 орудия против 150 русских, 47 из которых стояли в казематах. Русская береговая артиллерия действовала весьма удачно, и союзники быстро почувствовали это. Практически каждый британский корабль получил повреждения. Особенно сильно пострадали линейные корабли. «Агамемнон» получил 200 попаданий, «Британия» — 40. На русских батареях ранеными и убитыми выбыло 138 чел., во флоте союзников — 520 чел. (не считая турок). Два английских и шесть французских кораблей были сильно повреждены и выведены из строя для ремонта, для которого их пришлось буксировать в Константинополь. Между тем именно от флота Лондон и Париж ожидали в это время особо значительных результатов. Ответственным за их отсутствие стал Дондас, действия которого были подвергнуты острой критике.