Продолжая наступать вдоль побережья, англо-французские войска 14 сентября заняли Балаклаву, 17 сентября — район Камышовой бухты и, подойдя к Севастополю, создали реальную угрозу захвата города и базы черноморского флота. С этого момента Севастополь становится главным объектом длительной и упорной борьбы вооруженных сил сторон и основной военной целью Крымской кампании. Севастополь как главная база флота к началу обороны имел 13 береговых батарей и был хорошо защищен с моря. Но оборона с суши почти полностью отсутствовала.

Воспользовавшись ошибкой англо-французского командования, побоявшегося атаковать Севастополь с ходу, начальник штаба Черноморского флота адмирал В. А. Корнилов и командующий эскадрой адмирал П. С. Нахимов, возглавившие оборону города, приняли срочные меры по организации сухопутной обороны и усилению защиты крепости с моря. Чтобы не пропустить неприятельский флот в Севастопольскую бухту, у входа в нее было затоплено 5 линейных кораблей и 2 фрегата, с которых были сняты орудия, личный состав перешел на берег. Благодаря этому гарнизон крепости был увеличен до 22 500 человек и создано много новых береговых батарей. Перед оставшимися в строю парусными кораблями и пароходофрегатами была поставлена задача защитить вход в бухту и оказать артиллерийскую поддержку сухопутным войскам. Все корабли были расписаны по огневым позициям для эффективной поддержки сухопутных войск на наиболее важных участках обороны. В сравнительно короткий срок русские матросы, солдаты и население города под руководством Корнилова и Нахимова создали под Севастополем прочную сухопутную оборону, превратив город в неприступную крепость.

После отхода главных сил русской армии к Бахчисараю вся тяжесть борьбы с огромной экспедиционной армией союзников легла на защитников Севастополя. Армия Меншикова пыталась деблокировать Севастополь атаками извне, но ввиду превосходства противника в силах 1 смогла решить поставленной задачи.

Героическую оборону Севастополя, продолжавшуюся 11 месяц можно разделить на два основных этапа.

На первом этапе (сентябрь-ноябрь 1854 года) была создана сухопутная оборона города и сорваны попытки союзных войск взять город атакой с суши и моря.

Второй этап (декабрь 1854 — август 1855 года) характеризуется наступательной позиционной борьбой и смелыми вылазками защитников города.

Первая атака англо-франко-турецких войск против Севастополя была назначена на 5 октября. Этой атаке должна была предшествовать мощная артиллерийская подготовка с использованием всей сухопутной артиллерии и крупных сил флота. Узнав о подготовке союзнике бомбардировке города, его защитники упредили противника и 5 октября сами открыли мощный артиллерийский огонь по неприятельским батареям. В обстреле принимали активное участие линей корабли «Гавриил» и «Ягудиил», пароходофрегаты «Владимир», «Херсонес» и «Крым».

Корабли вели огонь по батареям противника в тесном взаимодействии с крепостной артиллерией. Для увеличения угла возвышенности корабельной артиллерии по предложению капитана IIранга Г.И. русские моряки впервые в истории применили на пароходах и фрегатах искусственный крен, что позволяло увеличить дистанцию стрельбы с 18 до 25 кабельтовых. Новым в области использования корабельной артиллерии явилась также стрельба по невидимым целям. Организация такой стрельбы потребовала применения новых приемов корректировки огня. Русские моряки успешно справились и с этой задачей. Для этой цели на возвышенностях были созданы наблюдательные посты, обслуживаемые корабельными артиллеристами.

Благодаря своевременно проведенной артиллерийской подготовке, замысел врага, рассчитанный на уничтожение севастопольских укреплений, был сорван. Во второй половине дня англо-французские войска, не добившись успеха, прекратили обстрел русских позиций.

Союзный флот, который по плану должен был открыть огонь одновременно с сухопутной артиллерией, начал бомбардир Севастополя с опозданием на 5 часов. В обстреле города участвовало 50 паровых и парусных кораблей, имевших 2680 орудий. Корабли положились в виде полукруга, на расстоянии 6-16 кабельтовых. Со стороны русских ответный огонь вели пять береговых батарей (150 орудий) и два пароходофрегата — «Одесса» и «Бессарабия». Бой продолжался пять часов. Несмотря на огромное превосходство в артиллерии англо-французский флот не добился успеха и был вынужден прекратить огонь и отойти от Севастополя. Многие корабли противника получили от 50 до 200 попаданий и были настолько повреждены, вышли из строя. Потерпев неудачу в борьбе с русскими береговыми батареями, англо-французское командование отказалось в дальнейшем от использования своего флота для бомбардировок города. Решающую роль в борьбе с флотом противника, так же как и в Синопском сражении, сыграли бомбические пушки, установленные на русских береговых батареях.

Таким образом, первая попытка союзников овладеть Севастополем методом ускоренной атаки с широким использованием флота была сорвана героическими усилиями севастопольцев. Во время этой первой бомбардировки города погиб адмирал Корнилов — талантливый организатор и руководитель обороны города. После его смерти оборону Севастополя возглавил адмирал Нахимов, пользовавшийся огромной популярностью среди матросов и солдат, видевших в нем честного, справедливого и заботливого начальника, хорошо знающего свое дело и бесстрашного в борьбе с врагом.

Отбив первую атаку неприятеля, защитники Севастополя под огнем противника продолжали совершенствовать оборону города и создавать новые укрепления. При строительстве оборонительных сооружений русские воины проявили высокое искусство и изобретательность. Созданная ими система обороны отличалась устойчивостью, достаточной глубиной и в то же время обеспечивала максимальный маневр огнем. Большое внимание уделялось совершенствованию оружия и способам его использования.

Противник, стремясь не допустить усиления обороны, вел непрерывный артиллерийский огонь по русским позициям. Накапливая силы, он готовился к новому решающему штурму города. 13 октября часть русской армии, отошедшей к Бахчисараю, атаковала английские войска под Балаклавой и, нанеся им серьезное поражение, сорвала готовившийся союзниками штурм Севастополя. Однако закрепить достигнутый успех русские не смогли, так как не были своевременно выделены необходимые подкрепления.

24 октября в районе Инкермана произошло одно из наиболее ожесточенных сражений Крымской войны, в котором с обеих сторон участвовало свыше 100 тысяч человек. В этом сражении противник потерял 12 тысяч человек, русские — около 10 тысяч человек. Несмотря на стойкость и мужество русских воинов, русская армия и на этот раз не смогла деблокировать Севастополь, и вынуждена была отступить. Главными причинами отступления явились отсутствие современного нарезного оружия и бездарность генералов. Существенную помощь русским войскам в Инкерманском сражении оказывал флот. Отряд пароходофрегатов обеспечивал перевозку войск, наведение мостов через р. Черная, оказывал артиллерийскую поддержку войскам на всех этапах сражения и, наконец, прикрывал отступление. Таким образом, в Инкерманском сражении нашли отражение различные формы взаимодействия армии и флота. Несмотря на то, что русская армия не решила поставленной задачи, сражение под Инкерманом оказало большое влияние на дальнейший ход обороны Севастополя. Вследствие большого количества погибших человек, союзники развернули подготовку к новому штурму города. Главный удар был направлен против Малахова кургана — ключевых позиции осажденных. Для артиллерийского обстрела Малахова курган построили две батареи на Киленбалочной высоте.

Организаторы Севастопольской обороны адмиралы Нахимов, Истомин и военный генерал Тотлебен уделяли большое внимание строительству укреплений, которые прикрывали подступы к Малахову кургану. Установленные там орудия держали под перекрестным огнем внешне построенные батареи противника. Через Южную бухту был сооружен наплавной мост, по которому на Корабельную сторону перебрасывались подкрепления и боеприпасы. В бухте дополнительно были затоплены 3 линейных корабля и 2 фрегата, закрывавшие вход на рейд. С целью ослабить натиск противника на Севастополь 5 февраля отряд генерала С. А. Хрулева пошел на штурм сильно укрепленной Евпатории, но атака была отбита. В кровопролитном бою обе стороны понесли тяжелые потери.

С 28 марта по 4 апреля неприятель предпринял вторую бомбардировку Севастополя. Огонь по городу вели более 500 орудий. Гарнизон нес большие потери, но не был сломлен.

11 мая была сорвана попытка двух французских дивизий ночным штурмом прорвать оборону. Третья бомбардировка Севастополя началась 26 мая и продолжалась до 30 мая. На штурм укреплений было брошено пять дивизий. Но только после того, как обороняющие: теряли большую часть войск, некоторые редуты были сданы врагу.

Массовый героизм проявляли защитники Севастополя. Рискуя жизнью, герои спасали от взрывов бомб своих товарищей, мастер вели подземно-минную борьбу. Севастопольские женщины под огнем перевязывали раненых, приносили воду, чинили одежду. В летопись обороны вошли имена Даши Севастопольской, Прасковьи Графовой и других патриоток. Неоценимую помощь обороняющимся оказал замечательный хирург Н. И. Пирогов, спасший жизнь многим раненым. 6 июня после четвертой бомбардировки 44 тысяч солдат врага штурмовали Корабельную сторону, но были отбиты героическими усилиями 20 тысяч ее защитников. Несмотря на это, положение Севастополя оставалось тяжелым, силы их таяли. 8 июня был ранен Тотлебен, 28 мая смертельно ранен руководитель обороны Нахимов. Смерть любимого адмирала была тяжелой утратой, но не сломила боевой дух севастопольцев.

28 августа начался общий штурм Севастополя 60-тысячной армией противника. Но, несмотря на значительное превосходство в силах, французам удалось закрепиться только на Малаховом кургане, где 6 тыс. вражеских солдат оказывали сопротивление только 400 русских.

Вечером из-за больших потерь главнокомандующий крымской армией генерал от артиллерии М. Д. Горчаков отдал приказ оставить Южную сторону, взорвав пороховые погреба, верфи и укрепления, затопив на рейде оставшиеся суда. Эвакуация прошла беспрепятственно, так как противник понес большие потери и к тому же считал, что город минирован. 28 августа русские войска заняли линию обороны на Северной стороне.

Героическая 349-дневная оборона Севастополя, сорвавшая захватнические планы союзников, истощила их силы настолько, что они не могли продолжать активные военные действия и вынуждены были вступить в переговоры о мире.

18 марта 1856 года был заключен Парижский мирный договор. По условиям этого договора союзники должны были освободить занятые ими Севастополь, Евпаторию, Керчь, Кинбурн и другие селения. Россия возвращала Турции занятый русскими войсками Каре и часть придунайской Бессарабии, отказывалась от притязаний на покровительство православным подданным Турции, была лишена права иметь военный флот и базы на Черном море, признавала протекторат великих держав над Молдавией, Валахией и Сербией, обязалась не возводить укреплений на Аландских островах (Ахвененма). Черное море объявлялось нейтральным, то есть закрытым для военных кораблей всех стран и открытым для торговых судов всех наций. Объявлялась также свобода плавания по Дунаю.

Несправедливая захватническая с обеих сторон война вскрыла социально-экономическую и военную отсталость России. Поражение подорвало ее престиж и ускорило отмену крепостного права. Опыт Севастопольской обороны и Крымской войны был использован при проведении военных реформ в России и применен в войнах второй половины XIX века.