С этого момента Корнилов на деле становится во главе защитников Севастополя, стержнем его обороны. Только напрасно ждал он от царя «свежую армию». Более того, Меншиков, не известив никого, покинул Севастополь с войсками.
Покидая Севастополь, князь назначил Корнилова начальником обороны Северной стороны, где ожидали нападение неприятеля.
Корнилов принял начальство над войсками, отдал приказ об организации обороны, назначил своим начальником штаба Истомина. «С Северной стороны, — объявил он, — ретирады нет; все, кто туда попал, ляжет навеки». Сразу он перевёл морские команды на берег в связи с малочисленностью сухопутных войск. Приказами Корнилова были переформированы созданные ранее резервные батальоны, переведены с кораблей на берег десантные батальоны, созданы морские батальоны.
Спустя сутки на берегу было уже 17 флотских батальонов; общая численность их составляла 12 тысяч. Корнилов призвал на защиту города и гражданское население. «По первому призыву его о высылке рабочих людей для постройки укреплений Северной стороны, — писал современник, — весь Севастополь ожил и стал на ноги».
Вскоре союзники изменили свои планы и отказались от атаки Северной стороны.
13 сентября неприятельская армия двинулась из долины Бельбека к хутору Мекензи. Теперь опасность угрожала не Северной, а Южной стороне, где был расположен сам город. Корнилов, не теряя ни минуты, приказал перевезти с рассветом на пароходах в город одиннадцать флотских батальонов... Святая ревность гражданина говорила и ему, что его долг не оставаться на Северной стороне.
13 сентября в Севастополе объявили осадное положение, а на следующий день Корнилову было вверено фактическое руководство всем гарнизоном. Генерал-лейтенант Моллер самоустранился от руководства и специальным приказом обязал «всех начальников войск исполнять все приказания вице-адмирала Корнилова».
Основой деятельности Корнилова в Севастополе стала забота о высоком духе защитников. Появляясь на самых различных участках оборонительной линии, он обращался с проникновенными словами к защитникам:
«Здесь на этом флоте мы возмужали и состарились, здесь приобрели мы первые уроки и опытность и здесь должны лечь костьми, защищая его до последней капли крови! Отступать нам некуда: позади нас море, впереди — неприятель. Помни же — не верь отступлению. Пусть музыканты забудут играть ре тираду; тот изменник, кто попробует ретираду, и, если я сам прикажу отступать — коли и меня». Корнилов возглавил работу по подготовке города к длительной и тяжёлой борьбе, распределил силы гарнизона, разработал диспозицию по обороне Южной стороны. Оборонительную линию разделил на три дистанции, командовать которыми поручил генерал-майору Аслановичу, вице-адмиралу Новосильскому и контр-адмиралу Истомину. На бастионы и батареи назначили начальниками флотских офицеров.
Корнилов на белом коне, в мундире, ежедневно объезжал все участки оборонительной линии, следил за работами, указывал на недостатки, обращал внимание на главное.
18 сентября на Северной стороне Севастополя показалась, наконец, армия Меншикова. По требованию Корнилова в состав севастопольского гарнизона были включены три пехотных полка и две лёгкие артиллерийские батареи. За три недели с 15 сентября по 5 октября было выстроено более двадцати батарей, и артиллерийское вооружение укреплений возросло до 340 орудий. Неприятель все эти дни готовился к штурму, надеясь на успех.
По усиленным приготовлениям в лагере врагов Корнилову стало ясно, что противник готовится к решительной атаке. «Завтра будет жаркий день», — проговорил он вечером 4 октября.
Наступило 5 октября 1854 года — «день крещения Севастополя огнём и железом». С рассветом заговорили сотни орудий, разгорелась ожесточённая артиллерийская дуэль. Корнилов и Нахимов с первыми же выстрелами прибыли на оборонительную линию. Корнилов в мундире поскакал на четвёртый бастион, против которого враг направил главный удар. Под шквальным огнём Корнилов подходил к каждому орудию, общался с солдатами и матросами, пояснял им задачи, поднимал их боевой дух. На пятом бастионе матросы и солдаты горячо встретили Корнилова, а когда он уехал, солдаты восхищённо проговорили: «Вот так генерал, отец родной, а не генерал».
Спустя три часа после начала артиллерийского поединка огнём русских батарей был взорван пороховой погреб французов. Вскоре замолчали все французские батареи. Жарко было у Истомина. Около 11 часов дня Корнилов прибыл к нему на третий бастион. Несмотря на большие потери, защитники бастиона сражались мужественно и отважно. С третьего бастиона под огнём неприятеля Корнилов направился на Малахов курган, где шла ожесточённая перестрелка. До полудня оставалось полчаса. На Малаховом кургане его встретило громкое матросское «Ура!». Обращаясь к экипажу, Корнилов ответил: