Известие о превращении Севастополя в город-крепость заставило англо-французское командование отказаться от немедленного штурма и ждать новых подкреплений. В Крым были доставлены части из Франции, Англии, Турции и Сардинии. Общая численность войск вторжения превысила 170 тыс. человек. В октябре 1854 г. началась осада и героическая оборона Севастополя, продолжавшаяся в течение 11 месяцев. Первый штурм крепости состоялся 5(17) октября.
Гарнизон крепости, состоявший наполовину из матросов Черноморского флота, проявлял чудеса стойкости и храбрости. Неувядаемой славой покрыли свои имена адмиралы Корнилов, Нахимов, В. И. Истомин, талантливый фортификатор Э. И. Тотлебен, артиллерийский генерал С. А. Хрулев, матросы П. Кошка, И. Шевченко, сапер Ф. Самолатов и многие другие. В Севастопольской эпопее участвовали будущий великий писатель Л. Н. Толстой, знаменитый медик Н. И. Пирогов, фактически все гражданское население города. Защитники черноморской цитадели выдержали ряд ожесточенных бомбардировок и штурмов. Особую роль играла оборона Малахова кургана, господствовавшего над городом. Его штурм, предпринятый союзниками в апреле 1855 г., закончился для них неудачей. После гибели Корнилова общее командование в городе принял на себя адмирал Нахимов.
Во время обороны Севастополя основные силы русской армии под командованием Меншикова, а затем сменившего его генерала Д. Горчакова предприняли ряд отвлекающих операций. Первая была проведена в октябре 1854 г. на подступах к Балаклаве. Она не имела успеха, хотя в ходе боя полегла почти вся бригада легкой кавалерии англичан, состоявшая из представителей наиболее знатных британских фамилий. В Англии это произвело гнетущее впечатление и вызвало желание поскорее завершить войну. 24 октября (5 ноября) 1854 г. произошло сражение под Инкерманом. Однако задуманное Меншиковым наступление успеха не имело. Таким же малоэффективным оказалось наступление на Евпаторию, предпринятое в феврале 1855 г. В августе 1855 г. произошло кровопролитное сражение на Черной речке (под командованием М. Д. Горчакова), во время которого русские войска, пытаясь овладеть сильными и хорошо укрепленными французскими позициями, были вынуждены отступить, понеся огромные потери. Таким образом, действия полевой армии в Крыму мало помогли защитникам Севастополя, вокруг которого постепенно сужалось кольцо противника.
В конце августа 1855 г. союзники предприняли последние усилия по захвату Севастополя. 27 августа (8 сентября) после многочасовой артиллерийской подготовки и создания многократного перевеса в живой силе англо-французские войска вытеснили русских с Малахова кургана. Защитники города организованно отошли на Северную сторону и готовы были продолжать борьбу. При штурме Севастополя противник понес огромные потери (погибли около 20 тыс. человек). В целом за время сопротивления Севастополь фактически перемолол более половины войск интервентов, которые без серьезного пополнения в живой силе и технике не могли продолжать военные действия.
Одновременно на Кавказском театре военных действий Турция терпела крупные поражения.
В ноябре 1853 г. турецкая армия была разгромлена при Башкадыкларе. Тем не менее по настоянию англичан летом 1854 г. турецкая армия вторглась в Грузию, пытаясь прорваться к Тифлис. Им удалось занять лишь Озургети и оккупировать Гурию. Вскоре захватчики были выбиты из Озургети. Военные действия были перенесены на территорию Турции. В июле 1854 г. русские войска заняли важную в стратегическом отношении турецкую крепость Баязет, под контролем которой находился торговый караванный путь Трапезунд — Эрзерум — Тавриз.
Главным событием 1854 г. на Кавказе стал сокрушительный разгром 60-тысячной турецкой армии при Кюрюк-даре в Анатолии. После этого турки фактически полностью проиграли кавказскую кампанию и сосредоточили все усилия на обороне крепости Карс, которой руководил английский генерал Вильямс.
Начавшаяся летом 1855 г. осада крепости Карс завершилась ее падением в ноябре 1855 г. Взятие русскими Карса рассматривалось современниками как не меньший успех, чем захват союзниками южной части Севастополя.
К концу 1855 г. силы сторон были полностью истощены. Французскую и английскую общественность охватили широкие антивоенные настроения. Британский парламент обрушился с критикой ни правительство, обвиняя его в крупных людских потерях и неспособности вести успешные, эффективные военные действия в России. Поэтому инициатива Франции начать мирные переговоры с Россией не встретила возражений у британского кабинета.
К этому моменту в России произошли важные события. 18 февраля 1855 г. скончался император Николай I. На российский престол вступил его сын Александр II, при котором возобновились переговоры в Вене в форме официальной конференции. Там заклады вались условия будущего мира. Под влиянием жесткой позиции Австрии, пригрозившей выступить на стороне союзников, военных поражений в Крыму, тяжелого внутреннего состояния страны Александр II и его правительство приняли австрийский ультиматум и согласились на начало мирных переговоров.
Парижский конгресс
13 (25) февраля 1856 г. в столице Франции открылись заседания конгресса, в работе которого участвовали Россия, Франция, Англия Австрия, Турция и Сардиния. Позднее к ним присоединилась Пруссия. Основными противниками России в Париже стали Англия и Австрия. Что касается Франции, то она по многим вопросам поддержи вала русскую делегацию. Англия стремилась к ослаблению России в бассейне Черного моря, к подрыву ее позиций на Кавказе, настаивала на демилитаризации Аландских островов. Австрия требовала отторжения от России всей Бессарабии и рассчитывала на присоединение к своим владениям Дунайских княжеств. Турция на конгрессе была вынуждена соглашаться с мнением союзников даже в тех случаях, когда оно расходилось с ее прямыми интересами.
Парижский мирный трактат был подписан 18 (30) марта 1856 г. Договор касался проблемы нового режима черноморского бассейна и проливов, территориальных вопросов, судеб балканских народов. Особо принципиальное значение для России имел пункт о нейтрализации Черного моря. Нейтрализация означала запрещение всем черноморским державам иметь на Черном море военные флоты, арсеналы и крепости. Это условие наносило существенный удар по Престижу России и безопасности ее южных границ. Оно надолго подорвало позиции России на Балканах и Ближнем Востоке. По условиям этой статьи Россия ставилась в неравноправное положение по сравнению с Турцией, которая сохранила полностью свои военно-морские силы в Мраморном и Средиземном морях. Территориальные потери России были минимальными: южная часть Бессарабии, ранее ей принадлежавшая, присоединялась к Молдове и фактически попадала под власть Турции. Россия лишалась единоличного права покровительства Дунайским княжествам и Сербии. В то же время в упорной борьбе с русским представителям удалось отстоять права молдавского, валашского и сербского народов, Дунайские княжества избежали участи попасть под австрийское иго. На конгрессе был поставлен вопрос о необходимости их будущего политического объединения. Была также сохранена фактическая независимость Сербии. Все территориальные и политические претензии Турции "об исправлении русско-турецкой границы" и судьбах Закавказья были отвергнуты.
К трактату прилагалась конвенция о проливах Босфор и Дарданеллы, подтверждавшая их закрытие для иностранных военных кораблей в мирное время. В условиях нейтрализации Черного моря это положение имело для России существенное значение. Особый документ объявлял о демилитаризации Аландских островов на Балтике. После завершения конгресса в апреле 1856 г. было подписано соглашение о Тройственном союзе между Англией, Австрией и Францией. Этим договором гарантировались целостность Османской империи и выполнение Россией всех пунктов Парижского мирного договора. Сложилась так называемая "Крымская система", имевшая антирусскую направленность.
