Моральный дух войск был невысок. Солдат нередко гнали в атаки пьяными. Иногда достаточно было одного залпа осажденных, чтобы противник под этим «благовидным» предлогом прятался в укрытие на всю ночь. Участились случаи дезертирства. Во время холодов к русским перебегали до 30 человек в сутки. В лагерях осаждающих царила постоянная вражда не только между разными национальностями, но и между отдельными родами войск. Турок англичане и французы в основном использовали как вьючных животных для переноса грузов, скудно кормили и за малейшую провинность нещадно били палками.
В декабре 1854 – январе 1855-го к союзникам прибыло сильное подкрепление: 30 тыс. французов, 10 тыс. англичан и 35-тысячный турецкий корпус Омер-паши. 26 января по требованию Наполеона III в войну на стороне коалиции вступила Сардиния, направившая в Крым 15-тысячный корпус. Создав значительный перевес в силах, союзники в начале февраля 1855 года опять перешли к активным действиям.
17 февраля 1855-го русское командование вновь попыталось оказать помощь Севастополю. 19-тысячный отряд генерал-лейтенанта С.А. Хрулева атаковал Евпаторию, где находился корпус Омер-паши, но был отбит. В этом же месяце главнокомандующим русскими войсками в Крыму вместо Меншикова был назначен М.Д. Горчаков. 2 марта того же года умер Николай I. На престол вступил его сын, Александр II. Но ни новый главнокомандующий, ни новый император не были в состоянии улучшить военную ситуацию в Крыму.
Тем не менее защитники города во главе с Нахимовым продолжали сражаться, постоянно совершенствуя систему обороны. Вокруг южной стороны Севастополя была создана невиданно глубокая для своего времени полоса укреплений (1,5—2 км). За главной оборонительной линией располагались еще две линии редутов, укрепленных батарей и простых баррикад. Перед главной линией были вырыты 2—3 линии траншей и ложементов, в которых могли разместиться целые батальоны. Все линии обороны связывала между собой сеть ходов. Между линиями были установлены различные заграждения (засеки, замаскированные ямы и тому подобное).
Руководство обороной осуществлял штаб начальника гарнизона. На Городскую и Корабельную стороны были назначены командиры, отвечавшие за состояние обороны в своем районе. Главная линия обороны разделялась на 5 дистанций во главе со своими начальниками. Так же четко было организовано снабжение защитников города вооружением и боеприпасами. Для управления обороной применялась особая система сигнализации (семафорный телеграф, сигнальные флажки, световые сигналы ночью). В Севастополе впервые начал действовать созданный русскими инженерами «военно-походный электрический телеграф» – последнее слово военной техники того времени.
Осажденные изматывали противника непрерывными вылазками и контратаками. За весь период обороны они совершили более 150 вылазок. В самой крупной из них, в ночь на 23 марта 1855 года, принимал участие поручик артиллерии Л.Н. Толстой, автор знаменитых «Севастопольских рассказов». Русские передвигались на поле боя врассыпную, перебежками от укрытия к укрытию. Удары наносились по наиболее уязвимым местам – по стыкам частей и флангам противника. Эта тактика оказалась очень успешной. При вылазке в ночь на 22 ноября 1854-го был разгромлен вражеский батальон, прикрывавший осадные работы, а в ночь на 19 апреля 1855-го такая же участь постигла другой батальон.
Севастопольцы наладили наблюдение и разведку. На каждом бастионе и редуте имелись наблюдатели-сигнальщики. Кроме того, наблюдение вели секреты, расположенные в завалах перед линией обороны. В расположение противника засылались разведгруппы с задачей добыть «военнопленника», почти непрерывно велась также разведка боем.
Сильной стороной севастопольской обороны было взаимодействие различных родов войск. Действия пехоты эффективно поддерживались огнем полевой и корабельной артиллерии. Пароходы регулярно обстреливали противника с флангов и поддерживали вылазки осажденных. 6 декабря 1854 года военные суда «Владимир» и «Херсонес» сами предприняли успешную вылазку за пределы рейда и обстреляли одну из баз французского флота. Это заставило союзников выделить для блокады входа на рейд значительные силы. Нахимов нашел применение даже парусным кораблям: одни стали плавучими батареями, а другие – плавучими госпиталями.