Весной 1855 года союзное командование вновь решило покончить с Севастополем одним ударом. Для артиллерийской подготовки штурма оно сосредоточило на осадных батареях до 500 тяжелых орудий. Бомбардировка началась 9 апреля и продолжалась 10 дней. Из-за недостатка боеприпасов русские отвечали одним выстрелом на два вражеских. И все же противнику не удалось подавить огневые точки осажденных. Штурм Севастополя был опять отложен на неопределенное время. Потерпел провал и замысел союзников силами 16-тысячного корпуса перерезать коммуникации русской армии в Крыму. В мае 1855 года им удалось захватить Керчь и Еникале, но в Геническе, Таганроге и Новороссийске десант противника был отражен береговой охраной. 7 июня союзники силами пяти дивизий (до 40 тыс. штыков) после усиленной бомбардировки атаковали передовые позиции перед главной оборонительной линией Корабельной стороны, захватили Камчатский люнет, Селенгинский и Волынский редуты. В жестоком бою русские потеряли 5 500 человек, противник – 6 200 человек. Взятие этих укреплений позволило союзникам вплотную приблизиться к главной линии обороны.

Стремясь развить успех, 17 июня осаждающие провели интенсивную артиллерийскую подготовку. На огонь 587 орудий русские отвечали из 548 орудий. Но запас боеприпасов у севастопольцев был в 3—4 раза меньше. На следующий день начался штурм главной оборонительной линии Корабельной стороны. На этом участке 20 тыс. защитников противостояли 47 тыс. атакующих. Несмотря на преимущество в численности и артиллерии, союзники были отражены по всей линии обороны. Потери противника составили 7 тыс., русских – 5 тыс. человек. Севастопольцы одержали блестящую победу.

Но положение защитников города оставалось крайне тяжелым. Численность армии союзников в Крыму составляла 200 тыс. человек (100 тыс. французов, 25 тыс. англичан и 15 тыс. сардинцев – под Севастополем, 40 тыс. турок – в Евпатории и 20 тыс. англичан и французов – в Керчи). Русские войска в Крыму насчитывали лишь 110 тыс. человек, из которых 70 тыс. составляли гарнизон Севастополя. Нехватка боеприпасов становилась все ощутимее, а огонь противника непрерывно усиливался. Улицы города были завалены ядрами, осколками, земля разрыта снарядами, дома разрушены.

Горчаков предпринял последнюю попытку отвлечь силы противника от осажденного города.16 августа в сражении у реки Черная союзники нанесли русским войскам тяжелое поражение. Стало ясно, что Севастополь обречен. Осажденные могли отражать вражеские атаки, но выдерживать подавляющее превосходство артиллерийского огня было уже невозможно. 17—20 августа противник вновь провел усиленную бомбардировку города, который громили 300 тяжелых мортир и 800 других орудий. Плотность огня в эти дни приблизилась к нормам Первой мировой войны. Севастопольцы отвечали одним на три выстрела противника.

Южная сторона города превратилась в руины. Везде полыхали пожары. Потери гарнизона возросли до 2—3 тыс. человек в день. Горчаков получил от Александра II согласие на отступление в Северную часть города. 27 августа было завершено строительство плавучего моста из бревен через рейд. К тому времени гарнизон подготовился к эвакуации. Вскоре по мосту потянулись сотни повозок с военным имуществом.

С 5 сентября противник вновь резко усилил бомбардировку города. Через 3 дня в валах бастионов главной линии обороны образовались широкие бреши. Путь для штурмовых колонн был открыт. 8 сентября союзники атаковали укрепления и захватили первую линию обороны, в том числе Малахов курган, но на второй линии севастопольцы сначала встретили их картечью, а затем перешли в контратаку и отбросили противника. В этот день французы и англичане 6 раз шли на приступ, но всякий раз под натиском русских откатывались назад. Союзникам удалось удержать только Малахов курган. Потери с обеих сторон были огромными: у севастопольцев – 12 тыс., у противника – 10 тыс. человек.

В ночь на 9 сентября защитники города эвакуировались по плавучему мосту через рейд. Все военные объекты были взорваны, тяжелые морские орудия выведены из строя. Колонну отступающих освещало пламя пожара, охватившего всю Южную сторону. После переправы мост был разрушен, а оставшиеся корабли затоплены. Русские войска закрепились на заранее подготовленных позициях на Северной стороне. Легендарная Севастопольская страда закончилась.

Эта героическая оборона стала кульминацией Крымской войны. Отдельные операции союзников на других театрах не принесли им успеха. В июле 1855 года в Балтийское море вторично вошла союзная эскадра. Однако ее действия свелись к обстрелу нескольких прибрежных городов и бомбардировке города Свеаборг, которые не дали ощутимых результатов. В ноябре эскадра покинула Балтику. Столь же бесславно закончилась и вторая экспедиция союзников на Тихоокеанское побережье России. На Кавказе турки терпели сплошные поражения. В ноябре русские войска взяли неприступную крепость Карс.

Несмотря на эти успехи, Россия не могла продолжать борьбу с коалицией. По подсчетам известного историка А.М. Зайончковского, потери севастопольцев составили 120 тыс. человек, а общие потери за всю войну превысили 500 тыс. человек. Экономика страны не выдерживала тяжести боевых действий подобного масштаба. Призыв миллиона рекрутов и изъятие из деревни почти 150 тыс. лошадей нанесли тяжелый удар сельскому хозяйству. Промышленность не справлялась с производством необходимого количества оружия и боеприпасов. Колоссальные военные расходы (около 500 млн. руб.) привели к кризису государственных финансов. Неспособность правительства обеспечить победу в войне вызвала рост оппозиционных настроений в обществе.

Союзники также истощили свои силы. Они потеряли под Севастополем 73 тыс. человек, а всего в Крымскую войну – свыше 500 тыс. человек (турки – 400 тыс., французы 95 тыс., англичане 22 тыс.). Мобилизационные возможности коалиции были исчерпаны уже к лету 1855 года. Союзное командование не решилось атаковать русские позиции на Северной стороне города. О наступлении в глубь Крыма не могло быть и речи. Поэтому английская и французская дипломатия всеми силами расширяла коалицию. Австрия угрожала России разрывом дипломатических отношений. Пруссия и Швеция также заняли враждебную позицию.

В этой ситуации российское правительство приняло условия союзников. В феврале 1856 года противники заключили перемирие. 30 марта в Париже был подписан мирный трактат. Тем самым французы объявили о своем успешном реванше – именно 30 марта 1814 года победоносные русские войска вступили в Париж, сокрушив наполеоновскую армию. По договору Россия возвращала Турции Карс, а союзники выводили войска из Севастополя и других захваченных крымских городов. Устье Дуная и Южная Бессарабия отходили к Молдавии. Провозглашалась «свобода плавания» по Дунаю. Единоличное право России на покровительство православным подданным Оттоманской империи заменялось коллективной гарантией великих держав. Принципиальное значение имел пункт о нейтрализации Черного моря, который запрещал России и Турции иметь военный флот, арсеналы и крепости на побережье. Это условие наносило удар по престижу России и безопасности ее южных границ, так как Турция сохраняла право держать военно-морские силы в Мраморном море и проливах. Босфор и Дарданеллы объявлялись закрытыми для военных судов. Россия обязывалась демилитаризовать Аландские острова.

Условия мира были болезненно восприняты в России. Со времен неудачного Прутского похода Петра I в 1711 году империя не подписывала акта о поражении. Вместе с тем российской дипломатии удалось отклонить требования союзников о нейтрализации Азовского моря и отторжении от России всей Бессарабии. Австрии не удалось аннексировать Молдавию и Валахию, а Турция распрощалась с надеждами на «исправление» границ на Кавказе.

После завершения конгресса 15 апреля 1856 года Англия, Франция и Австрия подписали соглашение о Тройственном союзе. Его участники гарантировали целостность Турции и выполнение Россией всех статей Парижского трактата. Сложилась так называемая «Крымская система», имевшая явную антироссийскую направленность. Но эта система просуществовала только два десятилетия. После поражения Франции в войне с Пруссией в 1870—1871 годах Россия смогла аннулировать пункт о нейтрализации Черного моря. Русскотурецкая кампания 1877—1878 годов резко изменила ситуацию в регионе.