Несмотря на грубейший просчет союзников, сил для сопротивления у севастопольцев явно не хватало. Однако они не помышляли о капитуляции. Во главе обороны встал начальник штаба Черноморского флота вице-адмирал В.А. Корнилов, один из самых образованных и деятельных русских моряков. Его гибель на Малаховом кургане от вражеского ядра 17 октября 1854 года была тяжелой утратой для защитников города. «Отстаивайте же Севастополь!» – успел сказать он перед смертью. Преемником Корнилова стал командующий черноморской эскадрой вице-адмирал П.С. Нахимов. Он пользовался огромным авторитетом и всеобщей любовью. На самых опасных участках командующий неизменно появлялся в хорошо заметных золотых эполетах, демонстрируя полное презрение к опасности. Матросы и солдаты называли себя «нахимовскими львами». 10 июля 1855 года Нахимов был смертельно ранен пулей в голову на том же самом Малаховом кургане, обороной которого командовал его ближайший помощник, герой Синопского сражения контр-адмирал В.И. Истомин, погибший раньше Нахимова – 19 марта 1855 года он был сражен вражеским ядром. Он тоже, будучи раненным и контуженным, не покидал своего поста и продолжал руководить отражением атак противника.

Главным военным инженером был назначен подполковник Э.И. Тотлебен, будущий знаменитый инженер-генерал, руководивший в Русско-турецкую войну 1877—1878 годов осадой Плевны. Осажденные в полной мере воспользовались медлительностью противника. За 3—4 недели силами солдат, матросов и гражданского населения была создана система укреплений, которые были тщательно приспособлены к местности, что затрудняло возможность их продольного обстрела. На главной линии обороны севастопольцы установили 341 орудие, из которых 118 предназначались для борьбы с осадными батареями противника, а остальные – для картечного огня на случай штурма. Семь устаревших судов были затоплены в бухте, чтобы преградить путь вражескому флоту. Их экипажи и орудия пополнили береговые батареи, обращенные к суше. Остальные корабли маневрировали в бухте и вели огонь по противнику.

Меншиков направил в распоряжение Корнилова сильные подкрепления. К середине октября гарнизон Севастополя уже насчитывал 35 тыс. человек. Между тем союзники наконец решились на штурм. 17 октября они бомбардировали город из 126 тяжелых орудий. Огонь был открыт одновременно по всей линии обороны. Превосходству противника в калибрах осажденные противопоставили искусную организацию стрельбы с батарей, рассредоточенных по всей оборонительной линии. Русская артиллерия подавляла вражеские батареи поодиночке, одну за другой. Уже через три часа большая часть орудий противника была выведена из строя.

С еще большим успехом отражалась атака с моря. Союзники рассчитывали уничтожить береговые батареи Севастополя и обрушиться на осажденных с тыла. Против 115 орудий береговой обороны противник выставил 49 судов, в том числе 27 кораблей первой линии с 1 340 орудиями. Однако корабли союзников заняли слишком удаленную позицию от русских батарей (на 1 000—1 300 м). Как и на суше, они открыли залповый огонь, стремясь сразу подавить все батареи. Поэтому при граде выпущенных снарядов были отмечены лишь единичные попадания. Русские артиллеристы вели беглый прицельный огонь. Они хорошо пристрелялись во время развертывания эскадры и сумели нанести противнику большой урон. После 5-часового боя англо-французский флот отошел, потеряв 500 человек и 9 судов.

Союзному командованию пришлось отложить штурм на неопределенное время и перейти к длительной осаде. Успех достался защитникам города ценой немалых потерь. Несколько батарей получили серьезные повреждения. Два бастиона были полностью разрушены. Севастопольцы в короткий срок восстановили укрепления. Их артиллерия продолжала наносить удары по батареям противника, тормозя осадные работы. Стойкость защитников Севастополя дала Меншикову возможность дважды атаковать противника с тыла. 25 октября 1854 года под Балаклавой русской пехоте удалось овладеть неприятельскими редутами, но развить успех не получилось из-за малочисленности отряда. 5 ноября произошло сражение под Инкерманом, в котором русские войска потерпели поражение. Меншикову не удалось заставить противника снять осаду с Севастополя.

В ходе этих боев союзники также понесли немалые потери. Кроме того, 14 ноября сильная буря снесла палатки в английском и французском лагерях, ливень затопил траншеи. Значительно пострадал флот. Погибло несколько крупных боевых кораблей, затонули 7 английских транспортов, 5 транспортов и 13 торговых судов были выброшены на мель. Союзники отказались от активных действий и отсиживались в своих лагерях. Несмотря на явное военно-техническое превосходство, они испытывали под Севастополем серьезные трудности. Удаленность театра военных действий и растянутость коммуникаций осложняли снабжение и пополнение армии. Колодцев с питьевой водой было мало. Солоноватая вода из наспех вырытых ям была отвратительной на вкус. Кроме того, не хватало дров, чтобы ее кипятить. В лагерях союзников свирепствовали холера, тиф и дизентерия. В первые месяцы осады из каждых 100 англичан от ран и болезней умирали 39 человек. К началу 1855 года в английском лагере насчитывалось 23 тыс. больных, раненых и обмороженных, и только 11 тыс. оставались в строю. Во время эпидемии тифа французы каждый день теряли 100 человек в Крыму и 200 человек при транспортировке в госпиталь под Стамбулом.

Моральный дух войск был невысок. Солдат нередко гнали в атаки пьяными. Иногда достаточно было одного залпа осажденных, чтобы противник под этим «благовидным» предлогом прятался в укрытие на всю ночь. Участились случаи дезертирства. Во время холодов к русским перебегали до 30 человек в сутки. В лагерях осаждающих царила постоянная вражда не только между разными национальностями, но и между отдельными родами войск. Турок англичане и французы в основном использовали как вьючных животных для переноса грузов, скудно кормили и за малейшую провинность нещадно били палками.

В декабре 1854 – январе 1855-го к союзникам прибыло сильное подкрепление: 30 тыс. французов, 10 тыс. англичан и 35-тысячный турецкий корпус Омер-паши. 26 января по требованию Наполеона III в войну на стороне коалиции вступила Сардиния, направившая в Крым 15-тысячный корпус. Создав значительный перевес в силах, союзники в начале февраля 1855 года опять перешли к активным действиям.

17 февраля 1855-го русское командование вновь попыталось оказать помощь Севастополю. 19-тысячный отряд генерал-лейтенанта С.А. Хрулева атаковал Евпаторию, где находился корпус Омер-паши, но был отбит. В этом же месяце главнокомандующим русскими войсками в Крыму вместо Меншикова был назначен М.Д. Горчаков. 2 марта того же года умер Николай I. На престол вступил его сын, Александр II. Но ни новый главнокомандующий, ни новый император не были в состоянии улучшить военную ситуацию в Крыму.

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.