11 марта 45 тысяч солдат и офицеров при 168 орудиях форсировали Дунай и вошли в Северную Добруджу (современная Румыния). Союзники ответили бомбардировкой с моря Одессы, а затем высадили у Варны 70-тысячный десант и блокировали Севастополь эскадрой из ста кораблей, причем более половины из них были паровыми. Русский же флот насчитывал 26 кораблей, 20 из которых были парусными. Однако действия англо-французского флота этим не ограничились: их эскадры двинулись в Балтийское море – к Свеаборгу и Кронштадту, в Северное море – к Архангельску и Соловкам и даже к Петропавловску-на-Камчатке.
К этому времени изменилось и отношение к России Австрии, Пруссии и Швеции, что заставило Николая держать на западных границах России главные силы своей армии. На Дунае из-за вступления Австрии в войну на стороне союзников русские войска оставили Молдавию и Валахию и отошли за Прут.
Благодаря еще одному успеху войск Бебутова, одержанному 24 июля 1854 года под Кюрюк-Дара, турецкая армия отступила в город Карс, расположенный на территории Турции, и таким образом Закавказский театр военных действий перестал существовать.
А 2 сентября союзники начали высадку десанта в Крыму. У Евпатории сошло на берег 62 тысячи английских, французских и турецких солдат и офицеров при 134 орудиях, навстречу которым командующий русскими войсками в Крыму А. С. Меншиков двинул 33 тысячи человек при 96 орудиях. 8 сентября противники сошлись на берегу реки Альмы. После исключительно упорного и кровопролитного сражения русские отступили к Бахчисараю, оставив без прикрытия Севастополь, чем сейчас же воспользовались союзники и осадили город с юга. 13 сентября 1854 года началась героическая 349-дневная оборона Севастополя, длившаяся до 28 августа 1855 года и считающаяся одной из наиболее славных страниц в истории русской армии и флота.
...Николай I с самого начала войны пытался руководить ходом событий на всех ее фронтах, а когда началась осада Севастополя, он ежедневно посылал Меншикову одно-два письма, в которых вникал во все мелочи кампании, проявляя детальное знание и людей, и обстановки. Николай давал советы, как следует строить укрепления вокруг Севастополя, чем отвечать на бомбардировки города, каким образом отбивать штурмы. И время шло, а Севастополь стоял нерушимо, хотя все новые и новые дивизии союзников высаживались в Крыму. Из России туда тоже непрерывным потоком шли войска. Но Николай предчувствовал бесплодность своих усилий и метался, не зная, что предпринять.
Зимой 1854 года император вместе с больной Александрой Федоровной на время переехали в Гатчину, где, не желая никого видеть, долгие часы проводили наедине. Тоска Николая усугублялась и тем, что снова, в который уж раз, императрица тяжело заболела, и врачи даже опасались за ее жизнь. А. Ф. Тютчева, бывшая вместе с царской четой в Гатчине, записала в дневнике 24 ноября: «Со времени болезни императрицы, при мысли о возможности ее смерти, несчастный император совершенно утратил бодрость духа. Он не спит и не ест. Он проводит ночи в комнате императрицы, и так как больную волнует мысль, что он тут и не отдыхает, он остается за ширмами, окружающими кровать, и ходит в одних носках, чтобы его шаги не были слышны. Нельзя не быть глубоко тронутым при виде такой чисто человеческой нежности в этой душе, столь надменной по внешности. Господь да сжалится над ним и да сохранит ему самое дорогое для него существо в ту минуту, когда у него уже все отнято». Очевидность того, что у Николая «уже все отнято» бросалась в глаза обитателям Гатчины. В тот же день Тютчева записала: «Гатчинский дворец мрачен и безмолвен. У всех вид удрученный, еле-еле смеют друг с другом разговаривать. Вид государя пронизывает сердца. За последнее время он с каждым днем становится все более и более удручен, лицо озабочено, взгляд тусклый. Его красивая и величественная фигура сгорбилась, как бы под бременем забот, тяготеющих над ним. Это дуб, сраженный вихрем, дуб, который никогда не умел гнуться и сумеет только погибнуть среди бури».
Перспективу «погибнуть среди бури» Николай оставлял не только для себя. Он, несомненно, сильно любивший своих сыновей, послал двоих младших, Николая и Михаила, в действующую армию, чтобы воодушевить солдат и показать России, что он любит свою страну больше родных сыновей. К этому времени Николаю было 23 года, а Михаилу – 21. Их военное образование, как, впрочем, и общее, было закончено.
В 1850 году 19-летний, Николай Николаевич был уже шефом двух полков, полковником и флигель-адъютантом. С разницей в один-два года повторял служебные успехи старшего брата и Михаил. Оба они в 1850 году совершили путешествие по России, а в 1852 – по Европе. В этом же году Николай Николаевич стал генерал-майором и членом Государственного Совета, правда с весьма существенной оговоркой: отец-император обязал его, присутствуя в Совете, в решении дел никакого участия не принимать.