К рассвету 5 октября союзники закончили прорезку амбразур на батареях и в 6 часов 30 минут утра открыли огонь из всех орудий по оборонительной линии. С русских позиций им ответили частыми залпами. Артиллерийская прислуга состояла из моряков, которые привыкли к скоротечным боям на ближних дистанциях, когда победа часто зависела от скорости ведения огня; так они продолжали действовать и на бастионах. Густой дым покрыл батареи и прилегающую к ним местность, прицельные выстрелы стали невозможны. Приказания вице-адмиралов Корнилова и Нахимова о замедлении ведения огня, чтобы дать время рассеяться дыму и предохранить стволы от разрыва, не достигали цели — слишком увлечены и захвачены боем были моряки. Они стреляли, ориентируясь по еле различимым вспышкам французских и английских орудий.

От разрывов вражеских снарядов разрушались амбразуры и брустверы оборонительной линии, загорались мешки и доски. Большие потери несла пехота, занявшая по тревоге стрелковые позиции на укреплениях для отражения штурма. Рабочие команды из солдат и матросов беспрерывно расчищали завалы в амбразурах для возобновления огня замолкших орудий. Солдат с банкетов пришлось отвести в ближайший тыл, оставив на бастионах связных, которые в случае атаки противника должны были вызвать свои подразделения на огневые позиции.

Долговременные каменные укрепления, возведенные на оборонительной линии и не защищенные насыпями из грунта, оказались весьма слабыми. На оборонительной казарме пятого бастиона в течение одного часа был разрушен каменный парапет, выведены из строя 5 орудий и 19 человек артиллерийской прислуги; в оборонительной стене образовались сквозные проломы. Серьезные повреждения были нанесены и оборонительной казарме шестого бастиона.

Но и русская артиллерия наносила большой урон противнику. Через три часа после начала сражения был взорван пороховой погреб на Рудольфовой горе, а через некоторое время взлетел на воздух и другой.

Огонь французов стал ослабевать и вскоре прекратился совсем — они потерпели поражение. Все 49 орудий противника были установлены в одном пункте, откуда велся огонь по разным направлениям, в то время как перекрестный огонь русских батарей из 64 стволов был сосредоточен на одной возвышенности; при этом калибр орудий был примерно одинаков с обеих сторон.

Около полудня на внешнем рейде появились корабли противника. Из-за полного штиля парусные суда буксировали к стоянкам у буйков пароходы. По прибрежным батареям и городу открыли огонь 14 французских, 11 английских и 2 турецких судна; огонь вели из 1244 орудий, расположенных на одном борту. Им отвечали 152 орудия с приморских батарей, находившихся в пределах дальности выстрелов; из них только 47 орудий были укрыты в каменных казематах, а остальные стояли открыто и стреляли через банк. Особенно сильный огонь со стороны рейда был открыт по Константиновской и десятой батареям. Английские корабли, заняв позиции на фланге и в тылу Константиновского укрепления, обрушили на него выстрелы из 169 пушек и мортир. Им могли противодействовать только два орудия с Константиновской и 13 орудий с десятой батареи, которые находились на большом удалении и не могли стрелять достаточно метко. В результате из 27 орудий, установленных на открытой платформе, 22 были подбиты, а артиллерийская прислуга потеряла 55 человек убитыми и ранеными. Поражение наносили не только снаряды, но и осколки камня от парапетов и печных труб. Оставшиеся в живых артиллеристы были вынуждены укрыться в казематах, и открытая орудийная оборона Константиновского укрепления молчала. Англичане пытались разрушить стены и своды батареи, но безуспешно (кроме выбоин и вмятин, никаких повреждений не было). Все орудия, находившиеся в казематах, тоже не имели повреждений и вели огонь в течение всего пятичасового боя, нанося значительный урон неприятелю.

Особенно успешно действовали против английских судов Волоховская башня и Карташевская батарея. Эти хорошо прикрытые небольшие укрепления, имея всего 8 орудий, вели "дуэль" с кораблями "Аретуза" и "Альбион", действовавшими из 140 пушек. На Волоховской башне было ранено 23 человека и подбит один лафет, а Карташевская батарея окончила сражение без всяких потерь. Английские корабли получили столь значительные повреждения, что их отбуксировали на ремонт в Константинополь.

Несмотря на восьмикратное превосходство артиллерии и штилевую погоду, корабли союзников фактически потерпели поражение в битве с береговыми батареями. На судах часто возникали пожары, имелись многочисленные подводные пробоины и повреждения оснастки. Было выведено из строя 520 моряков союзной эскадры, в то время как на приморских батареях потеряли всего 128 человек. При этом корабли противника сделали около 50 тысяч выстрелов, а береговые укрепления только 16 тысяч. Не выполнив поставленных задач по разрушению береговой обороны и усиленной бомбардировке города, суда противника около шести часов вечера снялись с якорей и покинули внешний рейд.

Совсем иначе развивались события на Корабельной стороне. Здесь английские батареи насчитывали 73 ствола, имея значительное преимущество в калибрах против 54 орудий, противостоящих им на русских позициях. Установленные на Зеленой и Воронцовой горах батареи перекрестным огнем разгромили третий бастион. К пятнадцати часам на нем была выведена из строя треть орудий, взорван пороховой погреб, обвалены все амбразуры, погибло более 100 человек гарнизона. Бастион замолчал. Английская армия вела интенсивный огонь и по Малахову кургану. На нем был снесен второй ярус башни с установленными на платформе орудиями и разрушены прилегающие к укреплению батареи. К концу дня англичане подбили 30 русских орудий, потеряв лишь 8. Возникла очень благоприятная для штурма ситуация: англичане могли без особых потерь захватить третий бастион, а затем атаковать с тыла и Малахов курган; им противостояли только 8 тысяч русских солдат и матросов. Однако поражение французов и союзного флота заставили англичан воздержаться от активных действий.

Первый день бомбардировки Севастополя не принес союзникам желаемых результатов. На сухопутной оборонительной линии союзники вывели из строя 44 орудия, которые к утру следующего дня были заменены; им удалось разрушить большое количество брустверов, амбразур и траверс, но и они были восстановлены за ночь. Защитники Севастополя потеряли за этот день 1112, а союзники — 348 человек. Такое неблагоприятное для русских войск соотношение выбывших из строя объясняется рядом причин. В то время как русские войска на случай штурма находились рядом с передовой линией, не имея надежных укрытий, артиллерия союзников возвышалась над русскими позициями и могла обстреливать пространство внутри укреплений. Кроме того, осадные войска находились на безопасном удалении от русских укреплений и ожидали, когда батареи будут подавлены, чтобы начать наступление. Артиллерия союзников за день 5-го октября сделала по оборонительной линии 9 тысяч выстрелов, получив в ответ 20 тысяч. Предстояло подготовить моряков для сражений в новой для них обстановке. Очень скоро они будут стрелять, экономя порох, и превзойдут вражеских артиллеристов в меткости.

Самой большой потерей для защитников Севастополя в этот день стало известие о том, что на Малаховом кургане смертельно ранен вице-адмирал Корнилов. Вместе с вице-адмиралом Нахимовым Корнилов в течение дня объезжал укрепления на оборонительной линии, воодушевляя своим мужеством моряков и пехотинцев. По его указанию принимались оперативные меры по восстановлению разрушенных бастионов, срочно подвозили орудия, станки, боезапасы и материалы. Вице-адмирал Корнилов, сумевший организовать работы и создать оборону города в небывало короткие сроки, до последней минуты оставался ее руководителем и душой. К счастью, в строю остались его главные помощники — П. С. Нахимов и Э. И. Тотлебен, достойно продолжившие начатое адмиралом дело. А бастион на Малаховом кургане получил наименование "Корниловский".