К 12 часам дня, с явным опозданием, к Севастополю подошел многочисленный флот союзников. 29 линейных кораблей (английских — 4 винтовых и 9 парусных; французских — 5 винтовых и 9 парусных и 2 парусных турецких) и 21 пароходофрегат открыли огонь по береговым укреплениям и кораблям. 1340 орудиям противника севастопольцы могли противопоставить только 115 орудий береговых батарей и артиллерию пароходофрегатов «Одесса» и «Бессарабия». После пятичасовой бомбардировки союзный флот, израсходовав более 50 тыс. снарядов, к вечеру отошел на исходные позиции. Ответным огнем русских батарей ряд кораблей союзников был поврежден и вышел из строя. Так, английский корабль «Альбион» получил 93 пробоины и лишился всех трех мачт, французский корабль «Париж» — 50 пробоин, из них 3 подводные, на многих судах возникли пожары. Два корабля из-за сильных повреждений были уведены для ремонта в Константинополь. Полученные судами повреждения вынудили союзное морское командование отказаться от продолжения бомбардировки и отойти с флотом в свои базы, вследствие чего дальнейший обстрел Севастополя производился лишь с суши.
Самой тяжелой потерей для флота в этот день стала гибель вице-адмирала В.А. Корнилова на Малаховом кургане. Фактическим руководителем обороны Севастополя становится П.С. Нахимов.
В ходе Инкерманского сражения 24–25 октября корабли флота перебросили несколько полков в Инкерман, оказали огневую поддержку войскам во время наступления и прикрыли отход в конце сражения.
Большую роль в обороне города играл отряд пароходофрегатов под командованием капитана 2-го ранга Г.И. Бутакова. Они обрушивали на позиции противника ураганный огонь. 24 ноября «Владимир» и «Херсонес», выйдя с Севастопольского рейда в море, атаковали французский пароход, а затем и обстреляли неприятельские пароходы, стоявшие в Стрелецкой бухте.
Ночью 12 февраля 1855 г. противник предпринял попытку захватить Селенгинский и Волынский редуты. В отражении нападения участвовали линейный корабль «Чесма» и пароходофрегаты «Владимир», «Херсонес» и «Громоносец». Противник в беспорядке отступил.
Для усиления заграждения в Северной бухте в ночь на 13 февраля моряки дополнительно затопили между Николаевской и Михайловской батареями линейные корабли «Двенадцать Апостолов», «Святослав», «Ростислав» и фрегаты «Кагул» и «Мессемврия».
28 июня при объезде позиций был смертельно ранен и 30 июня скончался адмирал П.С. Нахимов.
27 августа 1855 г. после усиленной бомбардировки начался общий штурм Севастополя. Активное участие в отражении штурма приняли русские пароходофрегаты, которые огнем своих орудий поддерживали защитников 1-го и 2-го бастионов. Однако под натиском превосходящих сил противника русские войска вынуждены были в ночь на 28 августа оставить Южную сторону и в полном порядке отойти на Северную.
28–30 августа в Северной бухте были затоплены последние суда Черноморского флота: линейные корабли «Великий Князь Константин», «Париж», «Храбрый», «Чесма», Ягудиил «Императрица Мария», фрегат «Кулевчи», корвет «Калипсо», бриги «Аргонавт», «Эндимион», «Язон», «Тезей», «Эней», пароходофрегаты «Владимир», «Громоносец», «Бессарабия», «Крым», «Одесса», «Херсонес», «Эльборус», «Дунай», «Грозный», «Турок» и транспорт «Гагры». Укрепления, верфи и склады Южной стороны были взорваны.
В связи с отсутствием в Черном море русского флота англо-французское командование решило в 1855 г. использовать свои корабли для набегов на русские прибрежные города.
12 мая соединенный англо-французский флот в составе около 80 вымпелов с десантом в 16 000 человек, подойдя к мысу Камыш-Бурун и высадив десант, занял Керчь, малочисленный гарнизон которой отошел к Феодосии. Застигнутые в Керченской гавани 3 парохода и 10 транспортов и мелких судов были сожжены своими экипажами. Только бриг «Аргонавт» (капитан-лейтенант Е.А. Серебряков) вступил в неравный бой с английской паровой шхуной, имевшей превосходство в артиллерии, и нанес ей повреждения. Воспользовавшись подувшим ветром, русский бриг оторвался от неприятеля и ушел в Бердянск.
Затем корабли противника, войдя в Азовское море, подвергли ожесточенному обстрелу Бердянск, Геническ, Мариуполь, Таганрог, Арабат, Ейск.
В сентябре 1855 г. англо-французская эскадра (15 кораблей) подошла к Тамани и высадила 6-тысячный десантный отряд, который должен был действовать совместно с отрядами Шамиля. Однако планы противника были сорваны активными действиями русских войск.
В начале октября союзная эскадра в составе 80 вымпелов (в том числе 3 плавучие броненосные батареи) с 9-тысячным десантом подошла к Кинбурну. В течение трех дней гарнизон крепости, едва превышавший 1,5 тыс. чел., оказывал сопротивление намного превосходившему его противнику. Только 5 октября после подавления русских береговых батарей крепость была взята. Прорваться в Днепровско-Бугский лиман, чтобы занять Херсон, Николаев и Очаков, противник не решился, обнаружив в лимане мины, выставленные летом 1854 г.