1854年9月25日，塞瓦斯托波尔城内宣布戒严。由此开始了历时349天的英勇的塞瓦斯托波尔保卫战。约有6万人的英法联军遭到只有18万名俄国步兵和水兵的塞瓦斯托波尔守备部队的抵抗。塞瓦斯托波尔临海一面，有强大的海岸炮台作掩护，但舰队指挥官会议认为这还不够，决定将14艘帆力战列舰中的5艘和7艘巡航舰中的两艘横向沉没在港口入口处，以阻止敌蒸汽舰突进塞瓦斯托波尔内停泊场；其余帆力舰只和所有汽船及蒸汽巡航舰用于保卫塞瓦斯托波尔。在塞瓦斯托波尔的背陆一方，有一座古老的堡垒从北面扼守着通往该城的各条道路。塞瓦斯托波尔南部的陆上工事刚刚开始构筑。然而敌人却未能利用自己的优势，拖延了攻城的准备工作，致使要塞守备部队在居民的协助下构筑了一道7公里多长、由8座棱堡和大量中间工事组成的防线，从南面完全保障了塞瓦斯托波尔的安全。领导城市防卫工作的是海军中将科尔尼洛夫、纳希莫夫和海军少将伊斯托明。
1854年10月17日，联军对塞瓦斯托波尔进行了第一次炮击。有120门火炮和1340门舰炮同时从陆上和海上对该城进行了轰击。俄军仅有268门火炮对敌进行了还击。敌人指望以海陆两面的猛烈炮火摧毁要塞的陆上工事，尔后一举攻占塞瓦斯托波尔。但是，俄军海岸炮台的还击使敌围城火炮和舰只受到较大损失，从而迫使腊格伦将军和康罗贝尔将军推迟了进攻。俄国野战军再度向塞瓦斯托波尔推进，后据守于梅肯集高地。10月17日，科尔尼洛夫海军中将在巡视筑垒线时，在马拉霍夫岗被炮弹炸伤后死去。缅施科夫在得到援兵之后，遂决定于1854年10月25日对巴拉克拉瓦谷地的英军外围工事实施攻击。俄军夺取了敌一些多面堡，击溃了卡迪根将军指挥的英国骑兵，迫使敌放弃了对塞瓦斯托波尔实施进攻的计划。
然而，巴拉克拉瓦会战的战果却未能得到扩大。11月5日，因克尔芒会战发生，俄军战败。但是，俄军具有无比的顽强精神，他们使敌人受到很大损失，使英法联军统帅部不得不放弃强攻塞瓦斯托波尔的企图，被迫转入长期围攻。
1854年，交战双方在奥地利的调停下开始进行停战谈判。大不列颠和法国提出要求：禁止俄国在黑海拥有舰队；不承认俄国对摩尔达维亚和瓦拉几亚的保护权和拒绝俄国单方面庇护土耳其苏丹统治下的东正教臣民的主张，还提出了实际上褫夺俄国通向多瑙河口的通道的要求。
1854年12月14日，奥地利彻底撕破了中立的假面具，宣布与大不列颠和法国结成同盟。1855年1月9日，在维也纳召开了俄国、大不列颠、法国和奥地利公使会议。俄国认为同盟国所提条件无法接受，和谈于1855年4月中断。
1855年1月26日，撒丁王国参战，向克里木派去了一个15万人的军队。
1855年，战事在所有战区持续未断，但克里木战区仍然是主要战区。在波罗的海活动的是海军少将邓达斯指挥的英国分舰队和海军少将佩诺指挥的法国分舰队。这两支分舰队在喀琅施塔得附近被俄国水雷炸毁几艘舰只之后，其活动有些收敛，仅对沿海进行封锁和炮击。8月18~23日，英法分舰队才企图夺取赫尔辛福斯及其防卫要塞斯维亚堡，但未获成功。至11月底，敌所有舰只驶离波罗的海。在白海，联军的6艘舰只从6月到9月一直进行封锁活动，但成效不大。在太平洋沿岸，联军在杰卡斯特里湾的登陆也被击退。
在高加索战区，俄国穆拉维约夫将军所部于1855年春在埃尔祖鲁姆方向发起进攻，将土守备部队困于卡尔斯城内。联军企图以登陆兵在黑海沿岸登陆和奥美尔·帕夏的远征军从苏呼米发起进攻来解卡尔斯之围，但未能奏效。巴格拉季昂·穆赫兰斯基将军率领的一支俄国部队于1855年11月4~6日在英古尔河一线对土军进行了阻击，但一直到茨赫尼斯茨卡利河畔才将其阻止住。在这当中，格鲁吉亚和阿布哈兹居民反土耳其的游击活动也起了作用。卡尔斯城守备部队待援无望，于11月28日投降。奥美尔·帕夏率残部退向苏呼来，1856年2月由此乘船撤回土耳其。联军利用俄国在黑海沿岸一带兵力有限这一机会，在黑海和亚速海沿海各地采取了一系列积极行动。
然而，主要战事仍在塞瓦斯托波尔城下展开。塞瓦斯托波尔守城军民不愧是积极防御的杰出榜样，他们不断出击，给敌人以打击，进行夜间搜索来骚扰敌人，开展卓有成效的地雷战，在棱堡前面构筑一些新的野战工事。他们将火力与堑壕的使用巧妙地结合起来，首创了多种阵地法。防御工程构筑是按照俄国著名的军事工程师托特列本和捷利亚科夫斯基的原则实施的。塞瓦斯托波尔的保卫者们在武器、弹药和粮食方面极端困难，他们为沙皇俄国军事上、经济上的落后付出了血的代价。但是，在最艰难的情况下，俄国士兵和水兵始终保持了高昂的士气和斗志。如中尉比留廖夫、水手长斯杰潘·布坚科、水兵彼得·科什卡和费多尔·扎伊卡、士兵阿法纳西·叶利谢耶夫和雅科夫·马霍夫、水兵的女儿塞瓦斯托波尔的达莎，以及其他一些塞瓦斯托波尔的英雄都成了当时闻名全国的人。
3月19日，伊斯托明在敌炮击勘察加多面堡时中弹身亡。沙皇政府命戈尔恰科夫将军接替缅施科夫的职务，但这对后来的战斗进程并没有起什么重要作用。
1855年4月9日，联军开始对塞瓦斯托波尔实施第2次炮击，塞瓦斯托波尔的保卫者进行了英勇抵抗，迫敌再度延缓了康罗贝尔早就认为必遭惨重损失的强攻。
在这之后，康罗贝尔就被主张采取更为积极行动的佩利西埃将军所替代。联军在1855年5~6月初对塞瓦斯托波尔实施了第3次炮击和随之进行了数次攻击，夺取了俄军的外围工事。
6月18日，英法联军在第4次炮击塞瓦斯托波尔之后再度发起强攻，同时，也对科拉别尔方面的几个棱堡实施了主要突击，但均被击退。双方损失惨重，俄军损失5000余人，联军损失7000余人。
马克思在评价这次强攻的结局时指出：“1855年6月18日曾经打算在塞瓦斯托波尔城郊演出修订版的、另一种结局的滑铁卢会战。但结果是英法军队遭到了第一次严重的失败。”6月28日，纳希莫夫在巡视马拉霍夫岗前进阵地时负了致命伤。8月16日，戈尔恰科夫试图再次将敌引开，遂向敌在黑河的阵地发起攻击，但因组织准备不力，进攻失败。以佩利西埃和西蒙斯为代表的联军统帅部下令进行了第5次炮击，紧接第6次炮击之后，其部队随之于9月8日对塞瓦斯托波尔发起总强攻，结果夺取了塞瓦斯托波尔防御配系中的关键阵地马拉霍夫岗。
俄军统帅部决定放弃城市，撤到塞瓦斯托波尔港湾北岸，将弃置的舰船全部沉没。
1855年底，战事实际上已经停止。双方在维也纳恢复谈判，俄国政府被迫作出让步。当时，俄国国内受过训练的后备兵已经没有，所储武器弹药也几乎消耗殆尽。军事税收和军事动员使农业衰竭，国家面临饥馑与流行病疫的威胁。所有这一切都促进了农民反农奴制运动的发展。
此外，瑞典、普鲁士，特别是奥地利这几个国家的立场对于俄国来说越来越具有危险性，奥地利公然以战争相威胁，以迫使俄国政府让步。
1856年3月30日在巴黎签订和约。俄国被迫接受了苛刻的条件。和约禁止俄国在黑海拥有舰队和海军基地，不准俄国在波罗的海的阿兰群岛上设防。俄国将比萨拉比亚南部割让给土耳其，并归还卡尔斯，承认由各强国对处在苏丹宗主权之下的摩尔达维亚、瓦拉几亚和塞尔维亚三公国实行集体保护。
克里木战争对双方来说都是非正义的、带有侵略性的。在整个战争中，俄军损失522万余人、土军损失近40万人、法军损失95万人、英军损失22万人。俄国为这场战争耗资约8亿卢布，同盟国耗资约6亿卢布。“克里木战争显示出农奴制俄国的腐败和无能”。沙皇的失败，使它的君主专制制度在国内外威信扫地，加速了1859~1861年革命形势的到来，促进了农奴制的衰败。克里木战争是兵力与兵器、军事学术与海军学术发展史上一个重要阶段。它对火炮枪械和水雷武器的进一步发展起了推动作用。
根据这次战争的经验，各国都很快摒弃了滑膛武器而采用了线膛武器，摒弃了木制帆力舰队而建立了装甲蒸汽舰队。陆军战术和海军战术、筑城学和部队的工程保障等方面也都增添了许多新内容。克里木战争要求重新修正军事学术中的许多原则以适应时代的要求。纵队突击战术逐渐被淘汰。随着枪炮射程和火力密度的增大，出现了一种新的战斗队形——散兵线。克里木战争中，射击精度提高，射程和射击密度增大，这就迫使军队必须在距敌较远的地方展开。在进攻前实施火力准备的作用也大大地提高了。
在克里木战争中，枪炮火力之间不相协调的现象已经显露出来。火炮落后于新式轻火器。敌人的线膛枪火力使俄军炮兵的人员和马匹遭到很大损失。在构筑步兵掩体和采用堑壕体系构筑防御阵地方面，塞瓦斯托波尔保卫者们是遥遥领先的。
阵地战的产生是与克里木战争分不开的。塞瓦斯托波尔的防御是成梯次配备的，与以前城市防御阵地的编成是不同的。
事实证明，火力强大的支撑点能够抵御敌人的强攻和炮击，甚至还能对敌炮兵进行反击。在兵力兵器方面与塞瓦斯托波尔守军相比占颇大优势的联军统帅部，未能达成完全孤立该城的目的。在整个战争期间，塞瓦斯托波尔始终保持了与后方的联系，从而得到了各种补充。
克里木战争的经验，为60~70年代俄国进行的军事改革所借鉴，在19世纪下半叶武装力量的发展和战斗中又得到了广泛运用。