Ночью загорелся хворост от фашин и туров, собранный в кучи на Корабельной стороне. Пламя освещало все окрестности, и противник вел прицельный огонь по солдатам, восстанавливающим укрепления. В этой обстановке опять проявил решительность и храбрость генерал-лейтенент Хрулев. Он взял две роты Севского полка, и, несмотря на ожесточенный обстрел, потушил пожар.

26 августа бомбардировка продолжалась с прежней силой. В нескольких местах запылал город. У Графской пристани ракета попала в шаланду, груженную 100 пудами пороха. Взрыв был настолько сильным, что находившаяся рядом вторая шаланда пошла на дно. Вследствие этого на Малахов курган и второй бастион не доставили порох, необходимый для подрыва укреплений. Кроме того, взрывом была разрушена Графская пристань, а на Николаевской и Михайловской батареях вылетели все оконные переплеты.

Последствия трех суток бомбардировки были ужасающими. Из строя выбыло около 7,5 тысяч человек, было подбито 89 орудий и 113 станков. Осадная артиллерия вела огонь почти из 700 стволов, которым могли отвечать лишь 500 русских орудий. Гарнизон Южной стороны насчитывал 49 тысяч человек, в том числе 6,2 тысячи человек артиллерийской прислуги, 400 стрелков и 1100 саперов. В распоряжении генерал-лейтенанта Хрулева на Корабельной стороне находилось 23 тысячи человек, которые распределились следующим образом: на третьем отделении — 7,5 тысяч, четвертом — 7 тысяч и пятом — 5,3 тысячи солдат. Так выглядела оборона крепости накануне решающей битвы.

Ночью секреты доложили, что противник стягивает войска на передовые позиции. Защитники Севастополя приготовились к отражению штурма и выставили пехоту на банкеты. Однако на рассвете 27 августа союзная армия не бросилась в атаку, а открыла ураганный огонь из орудий по русским укреплениям. Чтобы избежать больших потерь, пришлось солдат, стоявших открыто на брустверах, отвести в тыл.

Около восьми часов утра французские минеры взорвали три горна в двадцати метрах от контрэскарпа Малахова кургана. В полдень противник внезапно прекратил обстрел русских позиций, и войска союзников неожиданно бросились на штурм Малахова кургана, второго бастиона и соединяющей их куртины.

На Корниловском бастионе в это время находились 1400 человек пехоты, 500 человек артиллеристов, саперов и штуцерных, 900 человек в рабочих командах по восстановлению укреплений и 100 человек в подземных выработках. Все они были застигнуты врасплох, многие из них обедали, а начальник войск на Малаховом кургане генерал-майор Буссау вручал солдатам Георгиевские кресты. Французы, быстро пробежав 25 м, отделявшие их от укрепления, вскарабкались на бруствер прежде, чем там появились русские солдаты. Артиллеристы отбивались от врага банниками и другими предметами, попавшими им под руку, пехотинцы бросались в штыки, но многократно превосходившие силы атакующих через тридцать минут заняли Малахов курган, за исключением горжевой части. Около 6 тысяч французских солдат сосредоточились на Корниловском бастионе, готовые к его обороне.

Противнику удалось также захватить второй бастион и куртину, ведущую к Малахову кургану. Не останавливаясь, они устремились дальше и достигли батареи №124 (Геннериха). Здесь их встретил заведующий оборонительными работами на пятом отделении капитан Лебедев. Он собрал отступивших солдат и бросился с ними на врага. С помощью подоспевшего резерва противник был отброшен назад и выбит со второго бастиона.

Тем временем генерал-лейтенант Хрулев с резервом освободил от французских войск Корабельную слободку, куда они ворвались, преодолев куртину и ретраншемент. Продолжая атаку, генерал заставил противника отступить на исходные позиции. Через некоторое время неприятель предпринял новую попытку захватить второй бастион и куртину, но и на этот раз был отброшен назад. После этого французы сосредоточили артиллерийский и штуцерный огонь на куртине и заставили русских солдат покинуть ее на участке, прилегающем к Малахову кургану.

После успешно проведенной контратаки генерал-лейтенант Хрулев попытался отбить и Малахов курган. Он теснил французские части между траверсами в горжевой части, но от прицельного штуцерного огня войска несли большие потери. Сам Хрулев был ранен в руку и покинул поле боя. Заменивший его генерал-майор Лысенко возглавил новую атаку на курган, но не достиг успеха и был смертельно ранен. Погиб и возглавивший затем войска генерал-майор Юферов. Несколько часов русские солдаты удерживали на Корниловском бастионе горжевую часть траверсов, но, имея численное превосходство, противник захватил все укрепления и начал заделывать мешками с грунтом проход в горже. В это время инженер-полковник Геннерих с двумя ротами саперов и примкнувшими к ним солдатами попытался снова захватить курган. Однако и эта последняя атака оказалась безуспешной. Вскоре смолкли и выстрелы из Малаховой башни. Там в начале штурма несколько офицеров и 40 солдат, заняв оборону, отбивались от врага, но расстреляв все патроны и имея много раненых, сдались противнику. Взорвать укрепление, как предусматривалось по плану генерал-адъютанта Тотлебена, не удалось, так как камеры не успели зарядить порохом. А это не позволило провести успешную контратаку и выбить французские войска с кургана.

Союзники предпринимали в этот день атаки и на другие укрепления. Англичане дважды врывались на третий бастион, но их отбрасывали на исходные позиции. Французские войска штурмовали пятый бастион, а также люнеты Шварца и Белкина. Им удалось ненадолго занять люнет Шварца, но затем пришлось отступить назад.

К вечеру противник прочно удерживал Малахов курган, но все остальные укрепления находились в руках защитников Севастополя. Главной причиной падения ключевого пункта явился значительный перевес союзных войск в артиллерийских средствах, позволивший приблизить передовую траншею на 12 сажен к кургану. Сказалось и медленное ведение контрминных работ перед укреплениям. В штурме участвовали до 55 тысяч союзных войск, потерявших около 10 тысяч человек. Защитники города потеряли почти 13 тысяч человек убитыми и ранеными, в том числе 11 334 человека на Корабельной стороне.

Дальнейшая защита крепости оказалась невозможной, так как противник, установив на Малаховом кургане орудия, мог легко подавить вторую линию обороны и прорваться на берег рейда. Это грозило уничтожением переправы и привело бы к колоссальным потерям. Главнокомандующий князь Горчаков приказал оставить Южную сторону Севастополя.

Отход гарнизона с Южной стороны начался вечером 27 августа и продолжался до утра следующего дня. На укреплениях остались небольшие команды «охотников» и саперов, которые выводили из строя орудия и взрывали пороховые погреба. Они покидали позиции по сигналу, оставляя зажженные фитили. За ночь прогремели 35 мощных взрывов; утром начали взрывать седьмую, восьмую и десятую приморские батареи. Одновременно приступили к затоплению всех кораблей Черноморского флота и разведению моста через рейд. Несмотря на большое волнение, мост выдержал беспрерывный поток войск, и переправа прошла без потерь. В середине дня прогремели взрывы на Павловской и Александровской батареях, превратившие неприступные казематы в груды развалин. Все пароходы отошли к Северной стороне, но через несколько дней их пришлось затопить, так как артиллерия союзников устроила настоящую охоту за этими небольшими судами.

Двое суток продолжались пожары в городе. Союзники не вступили в Севастополь, опасаясь мин. 30 августа они заняли "кровавые развалины" — так окрестили севастопольцы покинутую крепость. Для потомков сохранились фотографии, запечатлевшие те далекие дни. Жить в этих развалинах было невозможно, поэтому английские и французские войска вернулись в свои лагеря.

Со временем были точно подсчитаны потери и издержки воюющих сторон при осаде Севастополя. Согласно спискам штаба гарнизона, было убито 17 015, ранено 58 272, контужено 15 174 и пропало без вести 3164 человека. Всего, таким образом, потери осажденных составили 93 699 человек, а с легкоранеными, не покинувшими строя, — 102 669 человек.