Вице-адмирал полагал, что союзники вряд ли решатся отбросить армию с путей, связывающих Севастополь и всю Россию. Он более опасался второй атаки с моря, которой могли противостоять только 3 корабля с неполной артиллерией и малообученными командами, и предлагал обсудить на совете положение с морской обороной города.
Возможно, в ответ на первую записку Меншиков наконец и назначил Нахимова формально помощником начальника Севастопольского гарнизона. Видимо, князь хотел привлечь активность моряка к суше. 7 февраля о назначении было объявлено Д. Е. Остен-Сакеном по гарнизону. Однако Нахимов оставался и командующим эскадрой. 6 февраля он отдал приказ для обновления заграждения затопить корабли «Ростислав» и «Двенадцать апостолов». 13 февраля по устному указанию Меншикова эти корабли, а также фрегаты «Кагул» и «Месемврия» легли на дно между Николаевской и Михайловской батареями, а фрегат «Мидия» готовили к затоплению. 19 февраля был затоплен и он.
Вице-адмирал так объяснял необходимость затопления:
«Если неприятельские корабли утвердятся на рейде, то, кроме того что мы потеряем Севастополь и флот, мы лишимся всякой надежды в будущем; имея Севастополь, мы будем иметь и флот; однажды же отданный отнять без содействия флота невозможно, а без Севастополя нельзя иметь флота на Черном море; аксиома эта ясно доказывает необходимость решиться на всякие меры, чтобы заградить вход неприятельским судам на рейд и тем спасти Севастополь».
Оставшиеся корабли Нахимов поставил в качестве плавучих батарей для поддержки береговой артиллерии. Два корабля у Килен-бухты и верховьев Южной бухты могли обстреливать фланговым огнем подступы к главной оборонительной позиции, а три остальных прикрывали вход на рейд.
Особое внимание вице-адмирал направил на организацию наблюдения за противником и передачу сообщений различными видами связи, вплоть до электрического телеграфа — тогда новинки. Информация стекалась в штаб начальника гарнизона, откуда исходили приказы начальникам дистанций.
Тем временем Меншиков оставил Севастополь, и до приезда сменившего его М. Д. Горчакова командующим войсками в Крыму стал Остен-Сакен, который 18 февраля назначил Нахимова исполняющим должность начальника гарнизона; 21 февраля вице-адмирал приказом по гарнизону объявил о назначении.
Чем теснее сжималось кольцо блокады, тем более сближались функции морских и сухопутных войск. При обстреле конгревовыми ракетами с берега страдали корабли. Выдвинутая к Черной речке неприятельская батарея обстреливала пароход «Херсонес». Нахимов в конце февраля принял решение отвести корабли в более безопасное место. В восточной части бухты для поддержки сухопутных войск у Килен-балки стоял дежурный пароход; в конце февраля была подготовлена инструкция, которая предписывала пароходам препятствовать движению неприятельских колонн по Килен-балке и прикрывать редуты. Неоднократно пароходы способствовали отражению атак неприятеля на укрепления Севастополя. В частности, будущий адмирал Г. И. Бутаков применял для увеличения дальности стрельбы крен парохода, а для уменьшения уязвимости судов — блиндирование машин, стрельбу на ходу и с закрытых позиций по указаниям наблюдателя. Новаторству Бутакова и других моряков способствовал уже известный читателю подход Нахимова, требовавшего от офицеров инициативы и самостоятельности. Соответственно Нахимов отмечал успешную деятельность пароходов, обрушивавших на неприятельские позиции и атакующие колонны сотни снарядов. В частности, 12 марта 1855 года он в специальном приказе отмечал: «Бывши вчерашнего числа на редутах и удостоверившись лично, что действием артиллерии дежурного парохода „Крым“ нанесен значительный вред неприятельской батарее, я считаю долгом высказать командиру парохода мою искреннюю благодарность».
Изданная в сентябре 1854 года инструкция для дежурного парохода, предназначенного для осмотра гребных судов противника, предусматривала полную боевую готовность судна, выделение им гребного судна для дежурства у бона, тщательный осмотр проходящих гребных судов. В случае атаки неприятельских гребных судов дежурный пароход должен был оповестить фальшфейером береговые батареи, а сам всеми средствами (картечь, гребные колеса) топить их. Для исключения столкновения пароходы несли отличительные огни. Развитием тактики пароходов явилась инструкция дежурному пароходу, разработанная в феврале 1855 года Г. И. Бутаковым по инициативе Нахимова. Эти документы со временем наряду с боевым опытом легли в основу тактики парового флота, разработанной Бутаковым.
В день второго общего штурма 26 мая 1855 года Нахимов, оказавшийся в разгар атаки на передовом Камчатском люнете, несмотря на контузию, организовал прорыв и вывел остатки защитников к своим позициям, поставив преследующих французов под огонь артиллерии. В результате атака неприятеля была отбита с большими для него потерями.
Готовясь к общему штурму, Нахимов предложил построить мост на бочках через Южную бухту взамен поврежденного при обстреле; это позволяло объединять усилия всего оборонительного фронта. Шесть пароходов, поставленных к Килен-балке, позволяли с фланга простреливать подступы к 1-му и 2-му бастионам. Все это способствовало отражению штурма 6 июня. Сам Нахимов находился на Малаховом кургане и организовал контратаку, позволившую отбросить атаковавших. В результате взаимодействия армии и флота противник был отражен с большими потерями.
Значительное внимание Нахимов уделял снабжению и медицинскому обслуживанию войск. Один из современников вспоминал: «По званию главы Черноморского флота он был истинный хозяин Севастополя. Постоянно на укреплениях, вникая во все подробности их нужд и недостатков, он всегда устранял последние, а своим прямодушным вмешательством в ссоры генералов он настойчиво прекращал их».
Лишь 25 февраля Нахимов официально был назначен командиром Севастопольского порта и военным губернатором Севастополя. Наконец, права Нахимова стали соответствовать обязанностям. В тот же день Остен-Сакен отправил генерал-адмиралу, Великому князю Константину Николаевичу рапорт с ходатайством о производстве Нахимова в адмиралы. Он писал:
«Вице-адмирал Нахимов во все время 165-дневной осады Севастополя сначала не принадлежа к ее обороне, потом с 28 ноября в качестве помощника и замещения меня в случае смерти или раны, чрезвычайно способствовал успешной обороне Севастополя: блистательною неустрашимостью, влиянием на войска, приобретенною любовию и уважением, неусыпною деятельностью, доходящею до того, что непрестанным осмотром бастионов, редутов, батарей и траншей ему известно направление орудий в каждой амбразуре.
Вице-адмирал Нахимов имеет неисчислимые заслуги».
27 марта 1855 года П. С. Нахимова произвели в адмиралы за отличие при обороне Севастополя. Производство не изменило характера деятельности флотоводца. В приказе от 12 апреля П. С. Нахимов отмечал, что его успех — следствие героизма адмиралов, офицеров и матросов. Он также продолжал открыто ходить по укреплениям под пулями. За преданность, бесстрашие и отвагу и любили его подчиненные, особенно моряки.
9 марта контр-адмирал В. И. Истомин пал на Камчатском люнете. Нахимов уступил ему место, которое оставлял для себя в гробнице Владимирского собора рядом с Лазаревым и Корниловым.
12 марта Нахимов обратился к М. Д. Горчакову, командующему Южной армией и морскими и сухопутными силами в Крыму, с просьбой освободить его от командования эскадрой. 15 марта Горчаков разрешил Нахимову передать эскадру контр-адмиралу П. М. Юхарину, и 16 марта адмирал спустил свой флаг. Он сосредоточил основное внимание на сухопутной обороне, хотя не забывал и о флоте.
В приказе от 2 марта по Севастопольскому гарнизону Нахимов обратил внимание начальников на сбережение личного состава при обстрелах. В ходе второй бомбардировки, с 28 марта по 8 апреля 1855 года, потери от обстрела противника оказались меньше, чем при первой, благодаря траверсам и блиндажам. Сам же адмирал продолжал в сюртуке с хорошо заметными эполетами, известными всему городу, регулярно объезжать позиции, появляясь в самых опасных местах.
