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:
«Неприятель подступает к городу, в котором весьма мало гарнизона; я в необходимости нахожусь затопить суда вверенной мне эскадры и оставшиеся на них команды с абордажным оружием присоединить к гарнизону. Я уверен в командирах, офицерах и командах, что каждый из них будет драться как герой: нас соберется до трех тысяч; сборный пункт на Театральной площади. О чем по эскадре объявляю».
Нахимов, для которого флот был и жизнью, и семьей, мог решиться на такой шаг только в крайнем случае, ибо понимал, что потеря Севастополя грозит потерей флота, а при сохранении главной базы флот можно было вновь построить. В условиях безвластия при незнании обстановки, тем более после затопления части флота для защиты с моря, этот шаг казался оправданным.
Утром 14 сентября на корабли поступил приказ после поднятия сигнала на «Двенадцати апостолах» начать затопление. В 8.30 такой сигнал появился, и началось затопление корабля «Ростислав», но вскоре было прекращено. В события вмешался Корнилов. В планы командования уничтожение всех кораблей не входило. Как человек, отвечающий за флот, начальник штаба в 10.00 передал запрещение исполнять под угрозой наказания приказы Нахимова о затоплении или сожжении кораблей до подтверждения этого сигнала с корабля «Великий князь Константин», где находился Корнилов.
Уже на следующий день, когда стало ясно, что штурма не будет и союзники приступают к осаде, все усилия были направлены на оборону города с суши, которой в мирное время почти не существовало. На строящиеся укрепления южной стороны с кораблей отправляли боеприпасы. Более упорядоченный характер принимали морские батальоны. Принимали меры для защиты парусников от пожаров.
29 сентября Корнилов приказал создать запасные парки (по 8 24-фунтовых пушек на три бастиона и Малахов курган) из корабельных орудий по назначению Нахимова. Постепенно все больше орудий с кораблей перевозили на сооружаемые бастионы, которыми командовали моряки. И русские, и их противники сооружали батареи. Против 25 тысяч войск в Севастополе неприятель располагал большими силами.
Налаживалась и деятельность флота. Главной действующей силой оказались пароходы. 21 сентября, для организации совместных действий паровых судов с армией, Корнилов отдал соответствующий приказ; в конце сентября Нахимов издал инструкцию для пароходов, выходящих на позиции. Речь шла о защите с помощью паровых судов и высланных с них шлюпок подступов к рейду при возможных диверсиях с моря. Так как парусники оказались запертыми в гавани, 2 октября, ожидая бомбардировки, Корнилов приказал расставить их в более безопасные места и поручил это Нахимову.
5 октября началась первая бомбардировка Севастополя с моря и суши. Несмотря на огромный расход боеприпасов, союзники не смогли добиться успеха. Морская и сухопутная артиллерия умело отвечала неприятелю. Атаку с моря и суши защитники отразили с большими потерями для неприятеля. Нахимов служил примером деятельности и распорядительности. В день обстрела вице-адмирал был легко ранен в голову. После гибели 5 октября на Малаховом кургане Корнилова Павел Степанович стал фактическим руководителем и душой обороны.