Тем не менее защитники города во главе с Нахимовым продолжали сражаться, постоянно совершенствуя систему обороны. Вокруг южной стороны Севастополя была создана невиданно глубокая для своего времени полоса укреплений (1,5—2 км). За главной оборонительной линией располагались еще две линии редутов, укрепленных батарей и простых баррикад. Перед главной линией были вырыты 2—3 линии траншей и ложементов, в которых могли разместиться целые батальоны. Все линии обороны связывала между собой сеть ходов. Между линиями были установлены различные заграждения (засеки, замаскированные ямы и тому подобное).
Руководство обороной осуществлял штаб начальника гарнизона. На Городскую и Корабельную стороны были назначены командиры, отвечавшие за состояние обороны в своем районе. Главная линия обороны разделялась на 5 дистанций во главе со своими начальниками. Так же четко было организовано снабжение защитников города вооружением и боеприпасами. Для управления обороной применялась особая система сигнализации (семафорный телеграф, сигнальные флажки, световые сигналы ночью). В Севастополе впервые начал действовать созданный русскими инженерами «военно-походный электрический телеграф» – последнее слово военной техники того времени.
Осажденные изматывали противника непрерывными вылазками и контратаками. За весь период обороны они совершили более 150 вылазок. В самой крупной из них, в ночь на 23 марта 1855 года, принимал участие поручик артиллерии Л.Н. Толстой, автор знаменитых «Севастопольских рассказов». Русские передвигались на поле боя врассыпную, перебежками от укрытия к укрытию. Удары наносились по наиболее уязвимым местам – по стыкам частей и флангам противника. Эта тактика оказалась очень успешной. При вылазке в ночь на 22 ноября 1854-го был разгромлен вражеский батальон, прикрывавший осадные работы, а в ночь на 19 апреля 1855-го такая же участь постигла другой батальон.
Севастопольцы наладили наблюдение и разведку. На каждом бастионе и редуте имелись наблюдатели-сигнальщики. Кроме того, наблюдение вели секреты, расположенные в завалах перед линией обороны. В расположение противника засылались разведгруппы с задачей добыть «военнопленника», почти непрерывно велась также разведка боем.
Сильной стороной севастопольской обороны было взаимодействие различных родов войск. Действия пехоты эффективно поддерживались огнем полевой и корабельной артиллерии. Пароходы регулярно обстреливали противника с флангов и поддерживали вылазки осажденных. 6 декабря 1854 года военные суда «Владимир» и «Херсонес» сами предприняли успешную вылазку за пределы рейда и обстреляли одну из баз французского флота. Это заставило союзников выделить для блокады входа на рейд значительные силы. Нахимов нашел применение даже парусным кораблям: одни стали плавучими батареями, а другие – плавучими госпиталями.
Условия обороны становились все более тяжелыми. Осажденные испытывали большие трудности со снабжением. Все необходимое очень медленно привозилось в город на телегах, в то время как союзникам грузы доставлялись на пароходах гораздо быстрее. Особенно ощутимой была нехватка пороха и боеприпасов. Севастопольцы в большинстве случаев не могли в равной степени отвечать на артобстрел противника и несли потери, которых можно было бы избежать.
Настоящей трагедией при огромном количестве раненых был недостаток врачей, коек, медикаментов, белья, перевязочных средств, хирургических инструментов. Из-за этого многих пациентов не удавалось спасти. К середине ноября госпитали и лазареты в Севастополе, Бахчисарае и Симферополе переполняли свыше 21 тыс. человек раненых и больных. Из-за нехватки помещений их отправляли в Мелитополь, Бердянск, Феодосию, Николаев, Херсон. Но транспортировка пациентов на четырехколесных безрессорных фургонах по российским дорогам приводила к высокой смертности.
Севастопольцы беспрестанно хоронили погибших. На Северной стороне были устроены два «скида», которые наполнялись каждую ночь. В один свозились трупы, которые с молитвой опускались в братскую могилу, в другой – отдельные части тел, которые просто зарывали в землю.
В городе не хватало питьевой воды, так как многие колодцы оказались в руках противника. Солдаты и матросы питались только гнилыми сухарями и кашицей с мясом истощенного от бескормицы скота. Трехдневный запас сухарей обычно толкли в порошок, завязывали в тряпицу и укладывали в ранец. Но и это скудное довольствие выдавалось нерегулярно. Одна из французских газет, не разобравшись, сообщала об исключительном патриотизме русского солдата, который всегда носит с собой мешочек с землей своей родины…