8 сентября 1854 г. русская армия под командованием генерал-адъютанта князя А.С. Меншикова попыталась остановить противника на реке Альме, но в ходе состоявшейся битвы она не смогла одержать верх над превосходящими силами союзников и отошла сначала к Севастополю, а оттуда к Бахчисараю. Сам Севастополь, как главная база Черноморского флота, был неплохо укреплен с моря, однако с суши он почти не имел никаких укреплений, строительство которых только-только началось по решению Военного совета Черноморского флота, в состав которого тогда входили адмиралы В.А. Корнилов, П.С. Нахимов, В.И. Истомин и ряд других персон. Тогда же на Военном совете после бурной дискуссии было принято решение затопить между Константиновской и Александровской бухтами несколько старых парусных судов, чтобы полностью обезопасить севастопольский рейд от прохода вражеских военных кораблей к самому городу.
В первые дни обороны севастопольский военный гарнизон едва насчитывал 17 тыс. моряков. В начале октября 1854 г. в город прибыла часть русских войск под командованием генерала А.С. Меншикова, и число защитников черноморской цитадели выросло до 35 тыс. штыков. В кратчайшие сроки в Севастополе была создана эшелонированная система укреплений протяженностью более восьми километров, прикрывавшая собой всю южную часть города, на которой разместились 8 бастионов, 20 батарей и более 40 редутов, люнетов и ложементов. К строительству этих укреплений были привлечены тысячи матросов, солдат и простых горожан, а всеми фортификационными работами руководил талантливый военный инженер полковник Э.И. Тотлебен.
5 октября 1854 г. началась первая бомбардировка Севастополя из 120 полевых и 1340 корабельных орудий, в ходе которой по городу было выпущено свыше 50 тыс. снарядов. По замыслам союзного командования, которое после смерти маршала А. Сент-Арно возглавил французский генерал Ф. Канробер, этот огненный смерч должен был разрушить все городские укрепления и подавить саму волю защитников города к любому сопротивлению. Однако безнаказанного избиения севастопольского гарнизона у союзников не получилось, поскольку русские артиллеристы ответили неприятелю прицельным огнем из 268 артиллерийских орудий и подбили 8 вражеских судов, которые позорно отступили от Севастопольской бухты.
Решительный и умелый отпор русских моряков и пехотинцев стал полной неожиданностью для союзного командования, которое рассчитывало взять город малой кровью. Защитники черноморской цитадели могли праздновать очень важную военную и моральную победу. Радость победы была омрачена гибелью командующего Черноморским флотом вице-адмирала В.А. Корнилова, ставшего жертвой этой бомбежки. Теперь оборону Севастополя возглавил его преемник, вице-адмирал П.С. Нахимов, который официально стал военным губернатором и начальником Севастопольского порта.
13 октября 1854 г. русская полевая армия под командованием генерала А.С. Меншикова вступила в новое сражение с противником под Балаклавой, где дивизия генерала П.П. Липранди уничтожила весь цвет английской легкой кавалерии. Но трусливый и нерасторопный царский фаворит так и не сумел развить столь долгожданный успех и отдал приказ о дальнейшем отступлении своих войск от Севастополя.
5 ноября 1854 г. состоялось новое сражение под Инкерманом, которое, несмотря стойкость и мужество двух дивизий генералов П.Я. Павлова и Ф.И. Соймонова, закончилось новым поражением русских войск. Само это сражение сорвало штурм Севастополя, намеченный союзным командованием на 6 ноября. Более того, именно после этого сражения союзное командование вновь отказалось от нового штурма севастопольских укреплений и приступило к активизации осадных работ.
В конце декабря 1854 г. в Вене открылась конференция министров иностранных дел Британии, Австрии, Франции и полномочного представителя России, на которой русскому послу при австрийском дворе князю А.М. Горчакову были предложены условия окончания войны и подписание мирного договора, одно из которых им было отклонено. В результате работа этой конференции была фактически сорвана и боевые действия в Крыму возобновлены. Более того, под давлением версальского двора в состав союзной коалиции вступило Сардинское королевство.
В начале февраля 1855 г. генерал А.С. Меншиков предпринял попытку овладеть Евпаторией, но после провала этой операции он был отправлен в отставку и новым командующим русской армией в Крыму был назначен генерал М.Д. Горчаков. Этот указ оказался последним в жизни Николая I, который скончался в 18 февраля 1855 г. До сих пор бытует расхожая версия, что российский император покончил жизнь самоубийством, приняв сильнодействующий яд. Однако известный советский историк профессор П.А. Зайончковский, который специально исследовал эту проблему по истории болезни и смерти императора, отверг эту ложную версию и достоверно доказал, что причиной его смерти стала банальная двусторонняя пневмония.
Пережив суровую зиму, союзные войска активизировали боевые действия под Севастополем и в марте ― мае 1855 г. произвели вторую и третью бомбардировки города. Особенно жестоким был «пасхальный обстрел», в ходе которого по Севастополю было выпущено свыше 168 тыс. снарядов. Несмотря на гибель почти 6 тыс. защитников города, в том числе контр-адмирала В.И. Истомина, которому прямым попаданием ядра оторвало голову, севастопольский гарнизон продолжал героически сражаться.
После «пасхального обстрела» союзные войска возглавил французский генерал Э. Ж. Пелисье, который был сторонником активизации военных действий. В мае 1855 г. союзники предприняли ряд мощных атак на севастопольские бастионы, и ценой огромных потерь овладели рядом укреплений у главной линии бастионов, но большего достичь им так и не удалось. Тогда в начале июня 1855 г., после четвертой бомбардировки Севастополя, союзники начали мощный штурм Корабельной стороны, но 20 тыс. моряков и пехотинцев под командованием генерала С.А. Хрулева и адмирала А.И. Панфилова успешно отразили натиск 45-тысячной группировки неприятеля. В конце июня при осмотре боевых позиций Малахова кургана был смертельно ранен адмирал П.С. Нахимов. Оборону города возглавил его боевой товарищ, новый военный губернатор города и командир Севастопольского порта адмирал Ф.М. Новосильский.