За первые три недели Севастопольской обороны под руководством инженер-подполковника Э.И. Тотлебена было построено двадцать больших укреплений, а численность артиллерии только на Южной стороне Севастополя доведена до трехсот сорока одного орудия против ста сорока четырех у противника. В результате в короткий срок была создана глубоко эшелонированная оборона, позволившая эффективно использовать силы и средства, в том числе морскую и береговую артиллерию.
Основу обороны составляли мощные бастионы. Под Севастополем были также созданы три полосы (линии) обороны и передовая позиция, отрыты окопы и траншеи, впервые в России применены укрепленные блиндажи. Сочетание огня с системой траншей положило начало позиционным методам ведения войны.
С выходом к Южной стороне Севастополя англофранцузское командование рассчитывало взять его штурмом после мощной бомбардировки с суши и моря. К этому времени противник имел под Севастополем шестьдесят семь тысяч человек, тогда как гарнизон Севастополя насчитывал тридцать шесть тысяч шестьсот солдат и матросов. Однако севастопольцы опередили противника, открыв утром 5 октября, как раз в назначенный день первой бомбардировки союзников, мощный артиллерийский огонь по его батареям. При этом было достигнуто тесное огневое взаимодействие корабельной и крепостной артиллерии.
Русские моряки в этой артиллерийской дуэли впервые в истории применили на пароходофрегатах искусственный крен, позволивший увеличить угол возвышения орудий, отчего дистанция стрельбы увеличилась с восемнадцати до двадцати пяти кабельтовых. Новым в использовании корабельной артиллерии явилась также стрельба по невидимым береговым целям, когда корректировка огня велась корабельными постами, размещенными на высотах. В результате решительных и умелых действий оборонявшихся почти все батареи противника были подавлены.
Но в этот же день был смертельно ранен командующий обороной Корнилов, и руководство Севастопольской обороной принял адмирал Нахимов. Во второй половине этого дня начали бомбардировку Севастополя пятьдесят кораблей противника, которые в течение пяти часов обстреливали город из тысячи трехсот сорока орудий. Однако после того как ряд англо-французских кораблей получил серьезные повреждения от огня русской артиллерии, вражеский флот отошел от Севастополя и больше не участвовал в бомбардировках города.
24 октября русские войска атаковали позиции английских войск со стороны Инкермана. Битва за Севастополь приняла затяжной характер. В последующем союзники провели еще пять бомбардировок Севастополя, и в них противник использовал тяжелую полевую артиллерию, численность которой непрерывно возрастала. Отражая атаки противника, севастопольцы успешно вели контрбатарейную и минную подземную борьбу, предпринимали ночные вылазки небольшими отрядами. Однако соотношение сил постепенно менялось в пользу союзных войск.
К маю 1855 года противник насчитывал в Крыму сто семьдесят пять тысяч солдат против восьмидесяти пяти тысяч русских, оборонявших Крым, из которых только сорок три тысячи составляли гарнизон Севастополя. Такое преимущество позволило англо-французским войскам перейти к более активным действиям. В конце мая им удалось захватить передовые редуты на подступах к ключевой позиции Севастополя – Малахову кургану, обороной которого руководил контр-адмирал В.И. Истомин. Потери Севастопольского гарнизона возрастали (в марте – около девяти тысяч, в апреле – свыше десяти тысяч, в мае – около семнадцати тысяч человек). Восполнить такие огромные потери было просто невозможно, хотя Севастополь и не был полностью отрезан от снабжения. В отдельные дни противник выпускал по Севастополю до пятидесяти тысяч снарядов, а оборонявшиеся, наоборот, испытывали нехватку снарядов.
28 июня 1855 года был смертельно ранен адмирал Нахимов – душа Севастопольской обороны. 24 августа началась шестая, самая мощная бомбардировка Севастополя из трехсот семи тяжелых орудий, в ходе которой противник выпустил сто пятьдесят тысяч снарядов. В результате ее основные оборонительные укрепления в Севастополе были разрушены, ежедневные (!) потери русских войск составляли две-три тысячи человек.
27 августа тринадцать дивизий и одна бригада союзников – всего около шестидесяти тысяч человек – начали штурм Севастополя. После упорнейших боев англофранцузские войска сумели овладеть Малаховым курганом, высотой, господствующей над Севастополем. К исходу этого дня русские войска вынуждены были оставить Южную сторону, и переправились в ночь на 28 августа по сооруженному наплавному мосту и на различных плавательных средствах на Северную сторону. Позднее они соединились с армией Меншикова. Планомерный отход всей русской армии с артиллерией и тылами в течение одной ночи был, несомненно, важнейшим тактическим достижением и являлся почти беспримерным случаем в истории войн. Однако эта выдающаяся в военном плане операция не отменяла главного – Севастополь пал.