Главнокомандующий не смог взять на себя ответственность и отказаться от наступления, в успех которого сам он по-прежнему не верил. Накануне сражения Горчаков писал Военному министру: «Я иду против неприятеля, потому что если бы я этого не сделал, Севастополь всё равно пал бы в скором времени. Неприятель действует медленно и осторожно; он собрал невероятное множество снарядов на своих батареях; его подступы стесняют нас более и более, и нет почти ни одного пункта в Севастополе, который не подвергался бы его выстрелам. Пули свищут на Николаевской площади. Нельзя заблуждаться пустыми надеждами; я иду навстречу неприятелю при самых плохих обстоятельствах. Его позиция весьма сильна: правый фланг его на Гасфортовой горе, которой скаты почти отвесны и тщательно укреплены, а левый — на Федюхиных высотах, за глубоком наполненным водою каналом, через который можно перейти не иначе как по мостам, набросанным под сильным огнем неприятельским. У меня 43 тысячи челов. пехоты, а у неприятеля, если он распорядится по надлежащему, 60 тысяч. Ежели — на что я, впрочем, мало надеюсь — мне послужит счастие, я постараюсь воспользоваться успехом. В противном случае, придется положиться на волю Божию. Я отойду на высоты Мекензи и постараюсь очистить Севастополь с наименьшею потерею. Надеюсь, что мост на бухте поспеет в пору и что это облегчит мои действия. Не оставьте вспомнить свои обещания — оправдать меня. Если дела примут дурной оборот, я нисколько не виноват в этом. Я сделал всё возможное. Но задача была слишком трудна с самого прибытия моего в Крым».
У реки были отвесные берега, а от моста через канал начинался подъем в сторону позиций союзников. «Сапун-гора, — отмечал генерал П. А. Вревский, — имеет очень крутые скаты, увенчанные укреплениями. Прежде, чем подступить к ее скатам, необходимо овладеть Федюхиными высотами, на которых неприятель также успел возвести несколько батарей, наконец, другие укрепления возведены вплоть до самого берега Черной; по другую сторону этой реки находится нечто вроде канала или рва, проходимого только по мостам, которые еще надо построить». Всё это, безусловно, объясняло нерешительность командующего, который решил ограничиться ударом по Федюхиным высотам, от успеха которого зависели дальнейшие действия. Накануне сражения он не скрывал своего скепсиса относительного результатов завтрашнего дня. Русская армия готовилась к наступлению на практически неприступные позиции для того, чтобы Горчаков мог сказать, что сделал всё возможное для спасения Севастополя. Настроения Горчакова не могли настраивать армию на успех, а скверно подготовленный план еще менее способствовал победе. Для сражения на Черной речке было выделено 47 662 человека пехоты, 10 263 человека кавалерии, 224 пеших и 48 конных орудий.
Поскольку союзники в течение нескольких дней ожидали русской атаки, они, как это часто бывает, перестали верить в то, что она начнется. Ранним утром 4 (16) августа 1855 г. наши войска начали ее неожиданно для противника и имели ряд частных успехов, однако слабая координация действий отрядов, ввод в бой частей по отдельности и хорошо подготовленные позиции обороны привели к тому, что англичане и французы, используя преимущество обороны на хорошо подготовленных позициях, отбили русское наступление. Общие потери наших войск составили свыше 8 тыс. чел., союзников — свыше 1800 чел. При отступлении Горчаков находился с войсками, командуя ими под сильнейшим огнем. «На удачу я мало рассчитывал, — писал он 5 (17) августа императору, — но не думал понести столь большого урона». В реляции о сражении, написанной на следующий день, он фактически возложил вину за неудачу на своих погибших подчиненных. В письме к Паскевичу Горчаков был более выдержан: «Войска дрались геройски и не взирая на неудачу сохраняли прекрасный дух». Паскевич назвал эту операцию вечным позором нашей военной истории.
Император был крайне огорчен этой неудачей, но был по-прежнему решительно настроен. «Повторяю Вам, — писал он 11 (23) августа командующему, — что если суждено Севастополю пасть, то я буду считать эпоху эту только началом новой настоящей кампании…» В гарнизоне крепости ожидали от этого наступления слишком многого. Впечатление от поражения было чрезвычайно тяжелым. Судьба Севастополя действительно была решена. Еще в середине июня русские артиллеристы начали чувствовать и недостаток пороха и снарядов. На 467 орудий главной оборонительной линии имелось 100 тыс. выстрелов и 60 тыс. выстрелов для 1000 орудий прибрежных и вспомогательных батарей. При этом средний расчет выстрелов на одно орудие в день равнялся 60.