Севастопольская крепость не была подготовлена к отражению высадившегося десанта. Следовало остановить войска союзников на пути к городу и дать возможность защитникам главной военно-морской базы укрепить свои позиции. Главнокомандующий князь Меншиков имел в своем распоряжении на территории Крымского полуострова около 51 тысячи человек сухопутных войск, из них менее 30 тысяч находилось вблизи Севастополя, остальные размещались в Керчи, на Перекопе и в других местах. Для сражения с экспедиционным корпусом князь Меншиков выбрал удачную позицию на реке Альма: левый фланг позиции у устья реки защищал холм с крутым, обрывистым склоном. Противник, продвигаясь к Севастополю, должен был форсировать под артиллерийским и оружейным огнем речку, а затем атаковать русские войска, взбираясь вверх по склону холма. С 2-го сентября на месте будущего сражения стали сосредоточиваться войска. У них было достаточно сил и средств, чтобы должным образом укрепить выбранный рубеж, однако был сделан только эполемент на 12 орудий в районе главной дороги; ни траншей, ни завалов, ни брустверов не возводили, так как главнокомандующий не придавал этому серьезного значения. Был допущен и второй крупный просчет, имевший в дальнейшем роковые последствия: посчитав кручи склона холма на левом фланге неприступными для противника, главнокомандующий не поставил там ни одного солдата.
В сражении, начавшемся 8 сентября 1854 г., со стороны русских участвовало около 33 тысяч человек с 84-мя полевыми орудиями, союзники же имели почти 62 тысячи человек и 134 полевых орудия. Русские войска, нередко побеждавшие противника и при худшем соотношении сил, на этот раз столкнулись с хорошо вооруженным и сильным врагом. Дело в том, что в русской армии нарезное оружие только еще начало поступать на вооружение. В армии Меншикова, сражавшейся на реке Альме, было всего 2 тысячи штуцеров, а у противника — до 30 тысяч; русские гладкоствольные ружья поражали врага на расстоянии 300 шагов, а штуцера в четыре раза дальше. Построенные в колонны русские полки сразу попали под губительный артиллерийский огонь англичан, наступавших в центре и на правом фланге. Только при сближении и в штыковом бою русские солдаты могли проявить свои лучшие качества и отбросить противника назад. Тем временем наступавшие на левом фланге французы, с трудом вскарабкавшись по круче, оказались на холме, и будь здесь хоть небольшое количество наших войск, они легко сдержали бы французские дивизии. Теперь же русские войска оказались под перекрестным штуцерным огнем и несли большие потери. Князь Меншиков пытался исправить положение, но сражение фактически вышло из-под контроля главнокомандующего и было проиграно. Русские войска отступили, потеряв в бою около 6 тысяч человек, в том числе 5 генералов и почти 200 офицеров. Экспедиционный корпус потерял 3,5 тысячи человек.
Сразу после отхода русских войск к реке Кача князь Меншиков приказал приехавшему туда начальнику штаба Черноморского флота вице-адмиралу Корнилову затопить несколько старых кораблей на входе в Севастопольскую гавань между Александровской и Константиновской батареями. Он справедливо полагал, что эта мера лишит союзную эскадру возможности предпринять попытку ворваться на рейд и позволит сосредоточить все силы флота на сухопутной обороне города. Руководить обороной Северной стороны, которая, по мнению главнокомандующего, будет атакована в первую очередь, было поручено вице-адмиралу Корнилову, а подготовка к обороне южной части города — командиру эскадры вице-адмиралу Нахимову. Привлечение адмиралов к командованию сухопутной обороной объяснялось весьма просто — все основные силы и средства для укрепления Севастополя мог дать только флот. На 1 сентября 1854 г. во флотских экипажах числилось 18 501 человек и в командах на оборонительных линиях 1612 моряков. На судах и в арсеналах имелось около трех тысяч морских орудий на станках, в то время как на складах было всего около двухсот крепостных пушек на высоких лафетах, да и то малого калибра. Наличие у союзников осадной артиллерии большого калибра вызывало необходимость устанавливать на укреплениях орудия соответствующей мощности для контрбатарейной борьбы, а пушки и мортиры 24-фунтового и большего калибра имелись только у моряков.