Не раз «Владимир» с другими пароходами содействовал своим метким огнём бастионам при отражении атаки союзников. Редкий день не прикрывал «Владимир» своим огнём защитников Малахова кургана. В январе 1855 года Бутакова просил помочь В. Истомин «дальностью сокрушительных бомб».

В конце марта Бутакова произвели в капитаны 1-го ранга, теперь он командовал отрядом пароходов, который и днём, и ночью, на ходу, и на якоре «бросал бомбы на занятые неприятелем редуты». В ночь на 5 июня неприятель предпринял четвёртую атаку Севастополя. Тысячи бомб обрушились на русские позиции. Особенно досталось защитникам Малахова кургана. В вечерней мгле появился на Малаховой кургане Бутаков, разыскал Нахимова.

   — Славно трудитесь на «Владимире», славно-с! — ответил адмирал, поздоровавшись.

   — Ваше высокопревосходительство, — обратился к нему Бутаков, — нынче судьба Севастополя решается, на пароходе я под защитою брони и поспокойнее, чем здесь. — Бутаков кивнул на разорвавшуюся неподалёку бомбу. — Так что прошу меня зачислить на какую-либо батарею, на передовую.

Темнота скрыла черты лица Нахимова, но, судя по голосу, адмирал был недоволен:

   — Нельзяс-с никак, Григорий Иванович, вас надо сохранить для будущего флота! — Голос адмирала помягчел. — Да и ваши пароходики нам подмога великая. Вот-с нынче ночью ожидаем неприятеля здесь, на Малаховой, и у Черной речки. Будьте настороже.

Действительно, в ту ночь около 14 тысяч французов-зуавов штурмовали курган. Корабельная артиллерия помогала меткими бомбовыми ударами. В этот раз неприятель был отбит.

Тем временем новый царь, Александр II, был явно против дальнейшей обороны Севастополя «до последней капли крови». Эту линию проводил и сменивший А. Меншикова генерал М. Горчаков. Но царь приказал напоследок «хлопнуть дверью», предпринять наступление. Бездарь М. Горчаков, не подготовив как следует войска, 4 августа бросил людей на верную смерть, в атаку на отвесные и неприступные Федюнинские высоты против в полтора раза превосходящих сил противника. Русские потеряли у Черной речки до 10 тысяч человек и отступили. Судьба Севастополя была решена. 27 августа неприятельские колонны двинулись со всех сторон на штурм Севастопольских бастионов. Маневрируя у Килен-балки, «Владимир» на ходу открыл губительный огонь по вражеским колоннам. «Командир «Владимира», — рассказывал очевидец, — капитан Бутаков первый подавал экипажу пример редкого хладнокровия и неустрашимости. Все приходили в восторг, глядя на него, стоящего на площадке над колёсами и спокойно распоряжавшегося, как будто возле него не летали ядра и не было вероятности быть убитым каждое мгновение. Хвала тебе, храбрый! Хвала и тебе, наш славный «Владимир»!»

Увы, на этот раз одолел числом неприятель. Вечером 27 августа начался отход войск. Всю ночь пароходы перевозили людей и кое-какие грузы. «Владимир» в эту ночь перевёз 2490 человек. Ночью легли на дно парусники «Париж», «Храбрый», «Мария», «Чесма», «Иегудил».

В ночь на 31 августа Бутаков получил приказ затопить все пароходы. В час ночи свезли на берег команды пароходов, а в три по условному сигналу все пароходы: «Владимир», «Крым», «Херсонес», «Одесса», «Бессарабия», «Эльбрус», «Дунай», «Турок», «Грозный» — подожгли, открыв предварительно кингстоны. Морская поверхность озарилась багряными отблесками горящих кораблей, погружающихся в пучину. Подожжённый в нескольких местах «Владимир» взлетел на воздух под грохот пушек — это в последний раз выстрелили заряженные и наведённые на неприятеля орудия «Владимира», которые не удалось свезти на берег.

За отличие и мужество при обороне Севастополя Григорий Иванович Бутаков был произведён во флигель-адъютанты и награждён орденом Владимира IV степени с бантом.

Севастопольская эпопея послужила для Бутакова боевой школой. Он впервые применил новинки: откренивал пароходы для увеличения угла возвышения орудия, стрелял на ходу по невидимой цели. Но главное — верно оценил значимость и преимущество нового парового флота, на практике в бою применил неизвестные ранее тактические приёмы, приведшие к победе над противником.

Печальным итогом войны 1813—1855 гг. явился запрет России иметь военный флот и базы на Черном море. Век парусных кораблей закончился Синопом. Наступала пора паровых кораблей.

На Черном море среди командиров военных пароходов тогда первенствовал Бутаков. Он же остался единственным из славной плеяды выучеников «лазаревской школы», кого пестовал Лазарев, подобно Корнилову, Нахимову, Истомину. Видимо, всё это учитывал великий князь Константин Николаевич. Новый император спустя четыре дня после вступления на престол уволил А. Меншикова от всех должностей и повелел великому князю Константину Николаевичу, по званию генерал-адмирал, «управлять как флотом, так и Морским министерством».

26 августа 1856 года Г. Бутаков был произведён в контр-адмиралы с назначением в свиту его величества, заведывающим морской частью в Николаеве и военным губернатором в Николаеве и Севастополе.

Бутакову надлежало заботиться о возрождении флота, а о сокращении до минимума остатков прежнего флота.

Началась незнакомая прежде моряку докучная и нудная канцелярская работа. Сокращали береговые учреждения, отправляли в отставку множество офицеров, определяли пенсии, раздавали награды, комиссовали раненых офицеров и нижних чинов...

С первых шагов Бутаков столкнулся с крючкотворством, взяточниками, казнокрадами. На всё это прежде смотрели сквозь пальцы и начальники и чиновная братия. Вскоре Бутаков узнал, что его помощник по интенданту, контр-адмирал Швенднер, замешан в спекуляциях с поставкой военно-морскому ведомству 13 тысяч четвертей гнилой муки. Вместе с ним действовал купец-спекулянт Киреевский и чины управления. Назначенная Бутаковым комиссия изобличила мошенников. Киреевского арестовали, и вскоре в Николаев прибыла из Петербурга «высочайше утверждённая комиссия» во главе с князем Оболенским. Оболенский на словах возмущался и обещал наказать преступников, но конфиденциально посоветовал Бутакову: «Мой совет вам, Григорий Иванович, оставить в забвении проведённое вами следствие...»

Комиссия пригласила в «советники» специалистов-торговцев, которые участвовали в мошенничестве. Вся эта свора постаралась прекратить разбор дела, потому что в нём оказались замешаны лица из Петербурга — подобно обер-интенданту Н. Метлину и другие. С горькой обидой доносил Бутаков рапортом генерал-адмиралу: «Это раскрыло мне, к горькому сожалению, ход, который был дан делу. Зная, что бедное моё отечество подрываемо страшным червём взяточничества, этой повсеместной гангреной нашей, — я выбрал удобный случай, чтобы нанести в пределах вверенного мне управления удар всеобщему врагу...» Бутаков просил, генерал-адмирала об отставке, но тот отказал и неожиданно объявил ему выговор за «неприличную придирчивость и за неисполнение его воли».

С той поры великий князь стал явно недолюбливать Бутакова, а тот в 1859 году представил ему «Секретную записку о положении в Черноморском управлении», в которой дал обстоятельный анализ положения дел в Морском министерстве в целом. По мнению Бутакова, министерство пришло в упадок из-за морального разложения его чиновников. Приведённые в записке факты подтверждали мысль её автора. Бутаков понимал, что он один не в силах вести борьбу с этим злом, а обещанной реальной поддержки не имел. «...Надо же было мне попасть на свою должность в такое время, — восклицает он, — когда всё в России говорило: «Бросьте официальную ложь! Кто же после Севастопольской войны не знает, что у нас сверху блеск, а снизу гниль. Перестаньте молчать об этом...»

И вновь Бутаков просит освободить его от должности и уволить в отставку.

В ожидании ответа Бутаков продолжает работать над рукописью о тактике парового флота. В это время ему прислали на отзыв новый устав, и он в своих замечаниях упоминает о порядках на флоте: «Пора отменить линьки совсем, как вредные по последствиям своим для здоровья, определительно ограничить меру исправительных наказаний, представленных командиру корабля...»