Защитники Севастополя деятельно окружали себя цепью земляных укреплений, сооружением которых руководил знаменитый инженер ген. Тотлебен. Ряд бастионов и батарей опоясал город, начинаясь от Артиллерийской бухты и оканчиваясь у Ушаковой балки (за нынешней Корабельной слободкой). Наиболее важными пунктами этих укреплений были расположенные с двух сторон Южной бухты 4-й бастион на высоком холме, занятом нынешним Историческим бульваром, и 3-й – на восточной стороне бухты, а также Малахов курган над Корабельной слободкой. Батареи французской армии находились на расстоянии 450 саж. против 4-го и 5-го бастионов. 5-го октября неприятель произвел первую бомбардировку города с суши и с моря, выпустив по расчету Тотлебена до 59 тыс. снарядов и пустив в действие 1.364 орудия. При этой бомбардировке был почти уничтожен 3-й бастион, смертельно ранен на Малаховом кургане адм. Корнилов и выбыло из строя 1.112 защитников города. Потери неприятеля были тоже очень значительны.
13 октября кн. Меньшиков с целью отвлечения сил неприятеля составил особый чоргунский отряд, который атаковал передовые позиции англичан и взял Чоргунское укрепление. 24-го октября Меньшиков дал сражение на Инкерманских высотах, окончившееся для русских неудачно. Французы сосредоточили свои силы против 4-го бастиона, оградившегося достаточным количеством траншей и ложементов. Предвидя попытки взорвать бастион минами, Тотлебен окружил его сетью подземных колодцев и галерей, длина которых простиралась на 6 верст, и уничтожил подземные работы французских минеров. Безуспешность действий против 4-го бастиона заставила французов сосредоточить свои силы против Малахова кургана. Удержать этот пункт, по своему местоположению являющийся как бы ключом к городу, было особенно важно. В виду этого Тотлебен окружил его рядом укреплении, из которых по берегам бухты Килен шли Селенгинский и Волынский редуты, а за Малаховым курганом устроен Камчатский люнет. 7-го марта на последнем люнете оторвало голову адм. Истомину.
Второе бомбардирование города, продолжавшееся 10 дней, было начато французами 28-го марта. За это время ими было употреблено 482 орудия и 130 мортир. После двух жестоких бомбардировок (25-го мая и 5-го июня) союзники 5-го июня сделали неудачную попытку штурмовать Малахов курган. Потерпев неудачу они еще два слишком месяца продолжали бомбардировать город из 168 батарей. У защитников Севастополя давал себя знать недостаток снарядов и войска, а кроме того выбывали из строя лучшие руководители обороны. 28-го июня был смертельно ранен на Малаховой кургане адм. Нахимов и раненый лежал душа обороны ген. Тотлебен. Новая попытка для отвлечения сил атаковать неприятеля на Федюхиных высотах потерпела неудачу. 27-го августа, после жестокого штурма, которому предшествовала пятидневная бомбардировка, был занят неприятелем Малахов курган. Видя полную безнадежность дальнейшей защиты города главнокомандующий кн. Горчаков перевел войска по построенному на плотах мосту через Большой рейд на Северную сторону, взорвав предварительно Павловскую батарею, находившуюся на мысу между Корабельной и Северной бухтами. 28 августа неприятель занял Севастополь на 349-й день осады.
О жестокостях войны можно судить по следующим данным. За весь период осады было убито и ранено 102.669 русских и 54 тыс. союзников. Русские выпустили 1.027 тыс. снарядов и до 17 мил. пуль, а неприятель, по расчетам Тотлебена, – 1.356 тыс. артилл. снарядов и 28½ милл. пуль. Пороху с обеих сторон истреблено до ½ милл. пудов. Сложив артиллерийские снаряды, можно получить пирамиду в 41 саж. высоты, при основании 100 кв. саж., а из ружейных патронов можно получить колонну в 51 саж. высоты при 10 кв. арш. в поперечник. В числе пунктов парижского договора, заключенного в 1856 г., кроме отторжения части Бессарабии, было запрещение России содержать флот на Черном море и возобновлять укрепления Севастополя. Все укрепления и постройки, не пострадавшие от бомбардировки, были взорваны неприятелем, так что после ухода занимавшего город французского полка осталось неповрежденными всего 14 зданий.
Наступившее вскоре после крымской войны с уничтожением крепостного права обновление России и в частности оживление ее торгово-промышленной деятельности вскоре совершенно изгладили все следы упадка Севастополя. В 1863 году в Севастополе была учреждена первоклассная таможня и быстро стало расти торговое значение города, а с отменой в 1871 г. статей парижского трактата о нейтрализации Черного моря восстановились также и укрепления города, особенно планомерное сооружение которых началось в 1885 г. Вскоре возродился и черноморский военный флот России. Еще большее оживление города явилось следствием соединения его в 1875 г. при посредстве Лозово-Севастопольской железной дороги с общеимперской сетью железных дорог. Сюда, как в одну из лучших гаваней Черного моря, направилась значительная часть, сказочно растущего хлебного экспорта.
Между тем начатые с 1885 г. планомерные укрепления города были закончены, и в 1890 г. Севастополь был причислен к разряду крепостей 3-го класса, и сюда же затем было перенесено из г. Николаева главное управление черноморского флота. В 1894 г. из военных соображений последовало перенесение коммерческого порта из Севастополя в Феодосию, что нанесло большой ущерб городу. Торгово-промышленное оживление сменилось провинциальной монотонностью и скукой. В то время как в среднем за один год десятилетия, предшествовавшего 1894-му году, Севастополь выпускал заграницу товаров на сумму превышающую 13 милл. руб., в десятилетие после закрытия порта средний за год вывоз упал до 2½ милл. руб. Средний годовой вывоз хлеба в первое из сравниваемых десятилетий составлял 15 с лишним милл. пудов, а во второе десятилетие – только 2½ милл. пудов. Соответственные цифры ввоза в первое десятилетие выражались в 4,8 милл. руб. и спустились до 633 тыс. В 1893 г. из Севастополя отошло 1.186 судов вместимостью в 1.065 тыс. тонн, в 1905 г. – 1.280 судов в 936 т. тонн. Некоторое увеличение числа отошедших судов объясняется усилением каботажного плавания, тогда как число судов заграничного плавания сократилось с 282 до 98.
Город принял военный вид. В 1897 г. в нем числилось 53.595 д. об. пола, а в 1904 г. 67.752 д. об. пола; из них 46.076 мужчин и 21.676 женщин. 85,9 % общего количества населения составляли русские, 6,5 % евреи, 3,5 % поляки, 1,5 % татары, 1,5 % армяне и 1,1 % немцы. Жилых строений в 1904 г. числилось в Севастополе 3.250, православных церквей 13, католических – 1, протестантских – 1 и синагог – 3. Общее протяжение улиц равняется 55,2 верст. С внешней стороны город, бюджет которого в 1904 г. равнялся 565,9 тыс. рублей, может похвалиться сравнительным благоустройством: на главных улицах, обсаженных деревьями и хорошо замощенных, устроены электрическое освещение и электрический трамвай протяжением в 69,6 верст и проведен водопровод. В городе имеются 3 библиотеки, 1 читальня, 3 типографии и 1 литография, издаются 2 газеты, открыты для публики 2 музея, 1 театр и 1 народный дом. В число 39 учебных заведений входят 1 мужская и 1 женская гимназии и 1 реальное училище, в которых по сведениям 1904 г. было 907 учащихся (527 мальчиков и 380 девочек). Низших учебных заведений числилось 36 с 1.226 учащихся (882 мальчиков и 344 девочек); % учащихся ко всему населению равняется 3,3.
Некоторым восполнением потерь, понесенных жителями города от закрытия коммерческого порта, является развитие в его окрестностях курортной жизни. Открытый для действия северных ветров Севастополь, при средней годовой температуре приближающейся к температуре южного берега, отличается более резкими колебаниями ее; в то время как в Ялте температура зимой не спускалась ниже – 12,7 °C, в Севастополе она достигала даже – 21,ГС. Лучшим сезоном в Севастополе можно признать лето, имеющее среднюю температуру в +22,1°. Из преимуществ, выгодно отличающих Севастополь даже от южнобережных курортов, следует отметить очень малое количество осадков (338 милл. за год против 464 – в Ялте и 456 – в Алуште), а также возможность пользоваться грязевыми ваннами в устроенной в 4 верстах от города близ Песчаной бухты грязелечебнице. Купальный сезон в спокойной Севастопольской бухте с песчаным грунтом продолжается от мая до октября, причем в оба эти месяца температура воды в среднем равна 14–15°Р. Неблагоприятными для лечебных целей условиями, кроме отмеченных понижений температуры в зимние месяцы, следует признать известковую почву, дающую едкую пыль, и распространенность лихорадок, гнездо которых находится в устье Черной речки.
Город живописно расположен на южном берегу Большой бухты или рейда, вход в которой охраняют Александровская и Константиновская батареи. Южный берег Большого рейда изрезан рядом бухт: при входе расположены Карантинная и Артиллерейская бухты, за ними следует самое большое ответвление – Южная бухта с отходящей от нее при входе с восточной стороны Корабельной бухтой и наконец бухта Килен. По своей глубине, равняющейся от 40 до 70 футов, и размерам рейд, а также и Южная бухта пригодны для стоянки самых глубокосидящих кораблей. К этим достоинствам бухты следует прибавить, что вода в ней почти никогда не замерзает и грунт дна ровный, без мелей и илистый. Длина Севастопольского рейда до устья Черной речки равняется 5 вер., ширина колеблется от 250 до 450 саж. Южная бухта имеет около 3 верст длины и 175 саж. ширины. Северный рейд служит главной стоянкой черноморского флота.
Городские постройки живописно расположены по склонам и на вершине холма, возвышающегося между Карантинной и Южной бухтами. Кругом этот продолговатый в направлении с юга на север холм опоясан тремя главными улицами, протяжением в 3 версты. По кольцу, образованному этими улицами, ходит электрический трамвай, одна из отделяющихся ветвей которого подымается на соседний с западной стороны холм, другая же спускается по крутому склону к концу Южной бухты, где находится вокзал железной дороги. Первая из трех главных улиц, Екатерининская, тянется параллельно Южной бухте. К ней обращен стоящий на внутреннем холме Петропавловский собор.