Практически Севастополь из морской крепости превратился в сухопутную. Поначалу на суше имелось лишь несколько старых или незаконченных строительством укреплений со 145 орудиями на Южной стороне и 51 орудием на Северной. Неспроста в Севастополе, когда пришла весть о поражении русской армии при Альме, среди жителей началась паника: взять эти укрепления, занятые гарнизоном всего в 7 тысяч человек, для огромной союзной армии не составляло труда. Однако, несмотря на успех, союзники на Альме тоже понесли крупные потери. Огорошенные ими, командовавшие союзными армиями генералы Ф. Канробер и Ф. Раглан, преувеличивая силы оборонявшихся, не решились на штурм Северной стороны, и предприняли обход города с юга. Это время было использовано на то, чтобы свезти с потопленных кораблей орудия и боеприпасы и силами жителей, гарнизона и матросов развернуть строительство новых укреплений. 13 (25) сентября Севастополь был объявлен на осадном положении, что давало право руководителям обороны, начальнику штаба Черноморского флота вице-адмиралу В. А. Корнилову и его ближайшему помощнику вице-адмиралу П. С. Нахимову мобилизовать все ресурсы и население. Это позволило севастопольцам соорудить на Южной стороне 7 бастионов и других укреплений, на которых было установлено 341 орудие, в том числе 118 тяжелых корабельных бомбических пушек. Увидев размах оборонительных работ и готовность усилившегося за счет матросов гарнизона к сражению, командование союзников отменило намеченный штурм и приступило к строительству осадных батарей.
После неудачной первой бомбардировки Севастополя, кровавых, хотя и победных для союзников сражений при Балаклаве и Инкермане и больших потерь союзного флота от свирепого шторма 2 (14) ноября, англо-французы практически свернули осадные работы, которые к тому же тормозились артиллерийским огнем с русских укреплений и постоянными ночными вылазками гарнизона. Систематический обстрел вражеских укреплений вели и русские пароходы, стоявшие в Северной и Южной бухтах. Только в феврале 1855 года вновь начались активные осадные работы, направленные против ключевой позиции севастопольцев – Малахова кургана. Руководители крепости, вице-адмирал П. С. Нахимов (Корнилов погиб при первой бомбардировке), контр-адмирал В. И. Истомин и военный инженер полковник Э. И. Тотлебен, организовали активную оборону. Цель ее заключалась в том, чтобы «отжать» противника от крепости, не допуская обстрела города. Для этого впереди уже построенных восьми бастионов стали сооружать передовые полевые укрепления. Ночью перед бастионами в быстро отрываемых мелких ложементах (отдельных окопах) размещались сильные «секреты» из пехотных солдат и кубанских пластунов – казачьей пехоты, привыкшей к скрытным действиям против кавказских горцев. Под их прикрытием рабочие рыли рвы и насыпали валы, так что утром перед изумленным противником оказывались новые, пусть пока и слабые укрепления. Днем эти постройки прикрывались усиленным огнем с бастионов, а закрытые невысокими насыпями рабочие продолжали работы, наращивая валы, строя блиндажи для гарнизона нового укрепления и пороховые погреба, устраивая платформы для тяжелых пушек и устанавливая орудия. Амбразуры для пушечных жерл прорезались в последнюю очередь, когда укрепление было закончено. Так были построены Селенгинский и Волынский редуты, Камчатский люнет и другие укрепления, получившие свои названия по имени полков, строивших и занимавших их, или их командиров: батареи Шемякина и Жерве, редут Шварца и др. Они прикрывали подступы к Малахову кургану и держали вражеские батареи под перекрестным огнем. Попытки союзников с 12 (24) февраля по 10 (22) марта взять их штурмом были отбиты с большими потерями.
Одновременно началась минная война. Из наружных рвов передовых укреплений и англо-французы, и русские саперы вели подземные ходы, чтобы взорвать валы вражеских укреплений и взять их штурмом. Работа эта были и тяжелой, и очень опасной. В низких подземных норах тяжело было дышать из-за спертого воздуха, в котором гасли свечи; одежда и волосы были постоянно сырыми от подземной влаги. А главное – всегда существовала опасность быть погребенным под обвалами или взлететь на воздух от вражеской контрмины. Особенно отличился в этих работах инженер-штабс-капитан А. В. Мельников, служивший на самом опасном, 4-м бастионе и даже получивший прозвище «обер-крот». Он практически и не вылезал из разветвленных подземных ходов. В ходе этой минной и контрминой борьбы Мельников был тяжело контужен при взрыве мины и был вынужден оставить и Севастополь, и военную службу.