Потери русских войск в ходе штурма составили 5445 человек, французских — около 5000 человек, английских — 1728 человек. У французов были убиты два генерала — Мейран и Брюне, ранены генералы Лафон и Лоране. У англичан убит генерал Дж. Кампбел, ранены генералы Джонс, Броун и Эйр.
Хоть и с большим опозданием, но неприятельские командующие все же поняли, что Севастополь открытой силой им не взять, что надо последовательно и до конца вести постепенную атаку крепости, приблизив траншеи вплотную к оборонительной линии; необходимо усилить осадную артиллерию; надо перекрыть доступ в Килен-бухту русских пароходов, поддерживающих огнем оборонительную линию.
К началу августа в составе осадной артиллерии союзников насчитывалось 700 орудий. 638 из них предназначались непосредственно для борьбы с нашей артиллерией и для разрушения укреплений линии обороны; 56 орудий выделялись для обстрела города, рейда и Северной стороны; 6 орудий предназначались для отражения возможных вылазок. В составе 638 орудий было 205 мортир крупного калибра.
В составе артиллерии обороны сухопутного фронта Южной стороны насчитывалось всего 1259 орудий. Из них 586 орудия составляли противобатарейную артиллерию, в составе которой было всего 69 мортир, и 673 орудия составляли противоштурмовую артиллерию.
Перед рассветом 5 августа 1855 г. осадная артиллерия противника начала бомбардировку Севастополя, которая не прекращалась в течение 21 суток. 5—8 и 24—26 августа артобстрел был особенно силен. За время обстрела с 5 по 23 августа в Севастополе были убиты и ранены 12,5 тысячи человек, и 7,5 тысячи за три дня (24—26 августа). И опять большая часть потерь пришлась на пехотные резервы, переправленные на Южную сторону в ожидании штурма.
К утру 27 августа севастопольский гарнизон насчитывал в 96 батальонах пехоты и трех дружинах Курского ополчения около 41 тысячи человек, в стрелковом и саперных батальонах — до 1,5 тысячи человек, артиллеристов у орудий осталось около 6,2 тысяч человек (из которых 4 тысячи моряков). Всего насчитывалось 49 тысяч человек. На Корабельной стороне войска под командованием генерала Хрулева насчитывали 23,3 тысячи человек, на Городской стороне под командованием генерала Семякина находились 17,2 тысячи человек.
Противник несколько раз устраивал ложные тревоги, заставляя защитников города готовиться к отражению штурма. Это в какой-то мере притупило бдительность русских.
Утром 27 августа французским войскам удалось скрытно сосредоточиться в передовых траншеях, расположенных в 50—100 шагах от русских укреплений. В 11 ч. 30 мин. бомбардировка Севастополя почти прекратилась, но наши войска на оборонительной линии и не подумали, что за этим может последовать штурм, так как уже привыкли к обманным действиям неприятеля, вызывавшего таким образом скопление русских войск в укреплениях и открывающего по ним огонь. Используя кратковременное затишье, защитники Севастополя принялись за обед. Как бы подтверждая мысль о невозможности штурма, неприятель около 12 часов снова открыл сильный огонь из всех орудий. Но ровно в полдень огонь прекратился. Над Севастополем воцарилась тишина. И совершенно неожиданно раздался крик: «Штурм!» А вслед за ним другой, чуждый: «Vive l’Empereur!» — и на брустверах и в амбразурах появились французы.
На Малаховом кургане по недосмотру начальства восемь пушек, остававшихся исправными после бомбардировки, оказались заряжены ядрами, а не картечью, и артиллеристы не смогли поразить наступающих французов.
К моменту штурма на Малаховом кургане оказались всего 2,5 тысячи человек. Они вступили в отчаянную рукопашную схватку с французами. На выручку вскоре подошли Ладожский, Азовский и Одесский полки. Но все усилия выбить с Малахова кургана французов оказались тщетными. Был ранен генерал Хрулев, командовавший войсками на Корабельной, ранены начальник 9-й дивизии генерал Лысенко и начальник 12-й дивизии генерал Мартинау, начальник 15-й дивизии генерал Юферов погиб от вражеского штыка. Потеряв своих командиров, остатки русских полков продолжали отчаянный бой, не сходя с места. Но, несмотря на мужество русских солдат, Малахов курган остался за французами. На всех же остальных участках обороны штурм был отбит.
Бесспорно, Малахов курган имел важное значение для обороны города, но Севастополь можно было защищать и без него (вспомним 1942 год). Тем не менее Горчаков отдал приказ покинуть город.
27 августа русские потеряли убитыми и ранеными 5 генералов, 419 офицеров, 12 488 нижних чинов, то есть 26,5 % состава всего гарнизона. На арсеналах, складах и укреплениях было брошено, потоплено и заклепано 3839 орудий.
У союзников, по их данным, потери составили около 10 тысяч человек (7576 французов и 2451 англичанин).
Заранее готовясь к отступлению, Горчаков приказал построить большой, длиной в 960 м, мост, соединяющий Северную и Южную стороны Севастополя. Постройка моста была завершена к 15 августа. А 27 августа в 7 часов вечера через мост началось отступление русских войск. В 8 часов утра 28 августа переправа была закончена и мост разобран.
Союзники не пытались атаковать отходившие войска. Севастополь горел, русские взрывали батареи и пороховые погреба. Союзникам достались лишь развалины Южной стороны.
Русские пароходо-фрегаты к 27 августа не утратили боеспособности и могли попытаться ночью прорваться в безопасное место, например, в Днепро-Бугский лиман. Тем не менее командование отдало приказ затопить все пароходы в севастопольских бухтах.
30 августа союзные войска заняли Южную сторону Севастополя. Уход русских войск стал неожиданностью для союзного командования, которое настроилось на продолжение осады. Теперь союзники не знали, что делать.
Но вскоре англичанам удалось уговорить французов устроить экспедицию в Днепро-Бугский лиман, чтобы овладеть Николаевом и разрушить там русские верфи. С этой целью в конце сентября 1855 г. к входу в лиман подошел флот союзников из 50 английских и 40 французских судов. Впервые в истории в состав флота были включены броненосные корабли. Это были три плавучие батареи — «Lave», «Devastation» и «Tonnante» («Лава», «Опустошение» и «Гремящий»), покрытые железной броней толщины 111 мм на 203-мм (8-дюймовой) деревянной подкладке. Вооружение каждой батареи состояло из 16 — 50-фунтовых (195-мм) и 2 — 12-фунтовых (116-мм) пушек.
Крепость Кинбурн в последний раз перестраивалась еще при Екатерине II. Вооружение крепости состояло из 70 орудий. Из них 55 пушек (24-, 18- и 12-фунтовых), 5 единорогов (одно- и полупудовых) и 10 мортир в 5 и 2 пуда.
5 октября 1855 г. в 9 часов утра три бронированные плавбатареи и несколько канонерских лодок подошли к Кинбурну на дистанцию 1 км и открыли огонь. Во время этой бомбардировки в плавучую батарею «Опустошение» 31 снаряд попал в броневые плиты и 35 снарядов ударили в палубу. Якорь в 650 кг весом, лежащий у него на баке, был разбит на несколько кусков. Батареи «Лава» и «Гремящий» получили каждая около 60 попаданий, из которых около 50 пришлось на покрытые броней борта и около 10 — в палубу. Несмотря на это, потери личного состава были совершенно незначительны и нанесены были только теми снарядами, которые попали в пушечные порты. Потери составили: 2 убитых на «Опустошении» и 30 раненых на всех трех плавучих батареях.