Несмотря на болезнь, вице-адмирал продолжал оставаться в курсе публикаций по морскому делу. В том же письме он высказал отрицательный отзыв о статье А. П. Соколова «Парус и винт», отмечая в ней недостатки, которые объяснил непрофессионализмом автора.

В этот период по петербургским салонам ходила сплетня о якобы существовавших трениях между Нахимовым и Корниловым. Сам Павел Степанович, узнав об этом, огорченно писал Рейнеке 13 марта:

27 марта Корнилов и Нахимов отдали приказы об обороне города и порта. Команды усиленно готовились к боям по расписанию, составленному Нахимовым и еще 9 марта предписанному Корниловым для исполнения всей эскадрой.

Меры эти оказались нелишними. С весной активизировались и союзники. 31 марта английский пароход приблизился к Севастополю и пытался увести купеческую шхуну, но был вынужден оставить ее, когда в погоню были высланы 2 фрегата и 2 парохода. Догнать быстроходный корабль не удалось.

3 апреля поступили сведения о планах англичан затопить на фарватере Севастополя 2–3 старых турецких судна. К этому дню большинство кораблей после завершения ремонта расположились по диспозиции; однако предложение Нахимова поставить корабли в две линии у бонов поперек бухты для отражения противника огнем так и не было принято.

4 апреля Меншиков намеревался выслать малый отряд (3 линейных корабля, фрегат и пароход) в крейсерство у Крыма. Нахимов не одобрил этот шаг и признал его опасным; он считал, что если и выходить, то всем флотом.

Тем временем английский пароход 31 марта подходил к Одессе, пытался вести промеры и разведку, но после предупредительных выстрелов удалился. В начале апреля британский пароход вновь приблизился к Одессе и требовал объяснений, почему по нему стреляли. 10 апреля союзная эскадра атаковала порт и пыталась высадить десант, но была отбита огнем береговых орудий.

17–18 апреля англо-французский флот крейсировал у Севастополя; 21 апреля он вновь был виден на горизонте. Меншиков хотел послать часть эскадры, но Нахимов и Корнилов согласованно выступили против. 24 апреля вновь союзники появились в виду главной базы, в ночь на 23-е и 25 апреля происходили ложные тревоги. 27 апреля французский пароход провел разведку Балаклавы, 28 апреля — Феодосии и Керченского пролива. 5 мая английский и французский пароходы приближались к Севастополю и после выстрелов с береговой батареи ретировались. В ответ на эти разведки с начала мая было организовано крейсерство русских судов. Сначала выходили 2 фрегата, бриг и пароход, с 15 мая — 2 корабля, 2 фрегата и 2 парохода под командованием поочередно Истомина, Новосильского и Панфилова. В июне крейсерства продолжались по расписанию Нахимова, хотя он и не одобрял их. Больше пользы принесло крейсирование парохода «Эльборус», который сжег 2 турецких судна недалеко от Босфора, высадив их экипажи в шлюпки.

Нахимова в это время беспокоили запальные трубки Лехнера для бомб, присланных из столицы, ибо на учебных стрельбах лишь три бомбы из десяти взорвались при попадании в щит. 1 мая моряки провели удачный взрыв мины на рейде Севастополя. Однако все это были эксперименты. Мины так и не удалось применить, а трубки, изготовленные в Николаеве, по-прежнему взрывались не вовремя, даже вблизи дула пушек.

Вице-адмирала огорчила статья, перепечатанная «Русским Инвалидом» из иностранного журнала, в которой было написано, что Черноморский флот сильнее союзных, но боится выйти в море. Он прекрасно понимал, что против 12 парусных линейных кораблей и 6 пароходов неприятель имел 19 только винтовых кораблей и 7 пароходов, которые имели явное преимущество перед парусниками. Флагман считал, что Корнилов, намереваясь выслать его эскадру в море, чрезмерно рискует. Начальник штаба Черноморского флота полагал, что при встрече с превосходящим противником корабли успеют вернуться в Севастополь. Но Нахимов опасался, что бегство от неприятеля понизит дух команд. Если бы флот конвоировал транспорты, то при встрече с превосходящим противником пришлось бы либо сразиться и лишиться флота, либо бросить беззащитные суда. Разумеется, такие мысли вице-адмирал высказывал лишь в узком кругу, не обсуждая открыто приказы.

1 июля Корнилов поручил П. С. Нахимову сформировать для усиления десантных стрелковых батальонов еще два резервных из моряков 4-й и 5-й дивизий, а также поручил определить число ружей на кораблях для использования в случае необходимости.

Необходимость эта приближалась. Если русские принимали меры к обороне Севастополя, то союзники готовились к нападению. Еще весной англо-французские экспедиционные войска высадились в Галлиполи у Дарданелл. Летом их перевезли в Варну. Попытки действий в Добрудже кончились потерей половины отряда от холеры. Когда русские полки отошли от Дуная в пределы России, экспедиционные войска в Варне продолжали нести потери от болезней, пока правительства Франции и Англии не договорились об организации высадки в Крыму для уничтожения Черноморского флота. 31 августа, наконец, было избрано место десантирования южнее Евпатории. На следующий день армада из 89 боевых судов и 300 транспортов подошла к берегам Крыма. Ее движение русские адмиралы наблюдали с вышки морской библиотеки в Севастополе, а начало выгрузки войск видел лейтенант В. Стеценко, оказавшийся с разъездом казаков в месте высадки.

Немедленно были приняты меры к отражению вторжения. 1 сентября Корнилов предписал Нахимову, чтобы все суда его эскадры состояли в полной готовности сняться с якоря во всякое время. Уже на следующий день Нахимов сообщил Корнилову диспозицию эскадры при выходе в море одной или двумя колоннами. В тот же день он получил приказ начальника штаба флота о приведении кораблей в боевую готовность и формировании батальонов из экипажей. 7 сентября Корнилов назначил на случай тревоги начальником войск на северной стороне контр-адмирала Истомина, а на южной — контр-адмирала Панфилова; общее начальство над флотом и морскими батальонами в отсутствие Корнилова было поручено Нахимову.

Высадка союзников, Альминское сражение и уход армии создали критическое положение в Севастополе. Только задержка движения неприятельских войск позволила защитить город с суши орудиями и моряками, занявшими наскоро построенные укрепления. Чтобы преградить путь противнику в бухту, 11 сентября между Константиновской и Александровской батареями были затоплены 5 старых кораблей и 2 фрегата, в спешке на них оставили артиллерию. В тот же день Меншиков поручил Корнилову оборону северной, а Нахимову — южной стороны. Начиналась героическая оборона Севастополя.

12 сентября Нахимов рапортовал адмиралу М. Н. Станюковичу, что не в состоянии совмещать обязанности, и просил передать командование эскадрой младшему флагману. Однако Меншиков приказал отменить назначение вице-адмирала командиром морских команд на берегу и предписал оставаться на рейде с флагом.

Несколько дней судьба Севастополя висела на волоске. Город, оставленный армией, был почти беззащитен и мог стать легкой добычей противника. Ожидая неизбежного, по его мнению, захвата города с суши, Нахимов решил защищать главную базу на берегу, а оставшиеся корабли затопить, чтобы они не достались врагу. Решительный на море, вице-адмирал на сухом пути избрал, как ему казалось, наилучший выход, чтобы выполнить приказ о защите южной стороны. 14 сентября он отдал приказ № 129: