А на линии обороны защитники Севастополя ежедневно не только восстанавливали, но и усовершенствовали свои укрепления. Для отражения картечью атаки противника и ведения прицельного огня по передовым позициям французов, на гласисе за рвом четвертого бастиона в течение одной ночи возвели батарею Костомарова на четыре орудия. Здесь ускорили работы и придали большую прочность брустверу и амбразурам, использовав впервые примененные с начала осады туры, изготовление которых началось на Северной стороне. Для противодействия работам англичан, в 100 саженях перед третьим бастионом сделали траншею для ведения штуцерного огня, отсюда можно было обстреливать и штурмующие колонны. Это были первые действия защитников крепости, направленные на выдвижение своих позиций вперед.
С 20 октября по четвертому бастиону вели интенсивный огонь 44 французские пушки и 30 мортир. В течение дня на укреплении были подбиты 14 орудий, разрушены амбразуры и брустверы, выбыл из строя 161 человек. Противник явно готовился к штурму, о чем говорили и дезертиры-перебежчики из французских войск. За одну ночь в городе построили внутреннюю оборонительную линию. В домах, прилегающих к Театральной площади, заложили двери и окна, устроив бойницы для ведения ружейного огня. Все улицы, выходящие к площади и Большому бульвару, перегородили баррикадами и установили за ними полевые орудия. К утру на этой позиции было сосредоточено около 9 тысяч солдат и 9 полевых орудий. Увеличить гарнизон четвертого бастиона, где на банкетах во рву и горже находилось 800 человек, не представлялось возможным из-за отсутствия блиндированных помещений и укрытий. Французы приблизились к бастиону зигзагами на 45 сажен и засевшие там стрелки не давали приподняться над землей русским солдатам. Положение защитников города стало критическим.
В такой ситуации необходимо было предпринять решительные действия. Князь Меншиков, получив из Дунайской армии две новые дивизии, решил атаковать правый фланг английской осадной армии и деблокировать Севастополь с восточной стороны. Но, как и прежде, подготовка к сражению велась плохо. О какой диспозиции войск можно было говорить, если в штабе армии не имели топографической карты района намечаемой битвы. Единственный экземпляр карты находился в Военном министерстве и велась переписка о ее доставке в Севастополь. По иронии судьбы карта прибыла в штаб Меншикова на следующий день после сражения.
Планировали операцию, полагаясь на топографическую память генерала Данненберга, "который когда-то стоял в этой местности лагерем и заявил, что знает ее, как свои карманы"[89]
. В итоге генералы Данненберг, Соймонов, Павлов и Горчаков, возглавлявшие наступление, действовали несогласованно. Колонны со стороны Килен-балки и Черной речки атаковали позиции англичан не одновременно, а отряд генерала от инфантерии Горчакова, которому поручалось отвлечь боем части французского обсервационного корпуса, ограничился артиллерийским обстрелом. В результате французы направили значительные силы на помощь англичанам, что и определило исход битвы.24 октября русские солдаты в Инкерманском сражении проявили чудеса храбрости и самопожертвования. По раскисшей от дождя местности солдаты карабкались к расположенным на высотах укреплениям англичан, не считаясь с потерями от орудийного и штуцерного огня. Противник не выдерживал штыковых атак и отступал, но, получив подкрепления, вновь занимал редуты. Укрепления переходили по нескольку раз из рук в руки. Когда стало ясно, что перевес сил на стороне англичан и французов, русские войска отступили на исходные позиции. Они потеряли 12 тысяч человек, в том числе 6 генералов и 256 офицеров, в то время как у союзников выбыло из строя 5 тысяч человек.