塞瓦斯托波爾自開戰以來從未被完全包圍過，從北方和東方俄軍可以自由進出。聯軍還是計劃用大規模炮擊來削弱要塞防禦體系。到了2月，大批法國援軍到達戰場，法軍增加到90000人。而英軍只有11000情況良好的軍人，另外23000人不是有傷就是生病。土耳其軍隊則有20000人和30門大炮。法軍是攻擊主力。此外還有一些僱傭軍，9000德意志軍團、3000瑞士軍團和1500波蘭軍團，這些都是英國花錢僱來的部隊。到了3月，撒丁15000人到了戰場。儘管聯軍兵力很可觀，但攻擊仍然很艱難，俄軍的防禦體系很完備。塞瓦斯托波爾要塞的石牆並不連續，馬拉科夫要塞是唯一的石構堡壘。俄軍的辦法是用削尖的樹枝做成柵欄，然後是深溝，再後面是由樹枝和泥土構成的步槍發射陣地。陣地後面是又一層樹幹構成的障礙，地上還有陷阱，裏面是削尖的樹枝。此外還有大量地雷。俄軍經常在夜裏派出襲擊隊，殺死聯軍戰壕裏毫無戒備的士兵。
馬米隆在2月22日夜裏被俄軍佔領，俄軍隨即構築了堅固的工事。馬米隆位於塞瓦斯托波爾要塞和法軍戰線之間。攻佔馬米隆成爲聯軍的首要任務，因爲從馬米隆出發，英軍可以攻擊凸角堡，法軍可以攻擊馬拉科夫要塞。1855年3月6日，得知尼古拉一世逝世，拉格倫敦促卡洛波特立即對馬米隆發起進攻，他認爲俄軍因爲沙皇逝世士氣低落。但卡洛波特拒絕了，這可能是因爲拿破崙三世皇帝的心腹尼爾將軍來到克里米亞監戰。尼爾來的目的是徵求卡洛波特的建議，皇帝打算直接指揮戰鬥。皇帝認爲除非從各個方向同時進攻，否則塞瓦斯托波爾無法拿下。卡洛波特接受了皇帝的看法，他本人也不想冒險倉促進攻。
1855年4月9日，聯軍開始第2次大規模炮擊。聯軍參加炮擊的共計520門大炮，發射了165000發炮彈。作爲迴應，俄軍998門大炮發射了90000發炮彈。炮擊進行了10天，造成俄軍6131人、法軍1587人、英軍263人的傷亡。俄軍放棄了損壞嚴重的旗杆陣地，但在夜裏修復了其他工事。法軍僅僅前進了100碼，進一步行動卻被皇帝否決了。英法聯軍的關係受到許多夭折的作戰計劃的困擾。1855年5月2日，英軍策劃對亞速海的刻赤進行遠征。刻赤是俄軍的後勤中心，俄國內陸運來的補給物資都堆放在這裏。在艦隊出發2小時後，拿破崙皇帝的電報來了，他命令艦隊返航，任何削弱塞瓦斯波托爾圍城部隊的做法都不允許。艦隊中的法國艦船隻好返航，英軍失去法國的支援，力量單薄，也只好尾隨法艦返航。幾天後，卡洛波特向皇帝建議成立了一個聯合軍事委員會，但並未被皇帝接受。卡洛波特隨即向皇帝提出辭職並要求重新當他的師長。1855年5月16日，艾馬布勒·讓·雅克·佩利西耶成爲法軍指揮官，卡洛波特改爲指揮第4師。1855年5月22日，貝利西埃在中央堡壘和海灣之間發動了一場殘酷的夜間攻擊。儘管傷亡巨大，法軍成功的達到了目的。他同時批准刻赤遠征隊繼續他們的計劃。1855年5月25日，刻赤被聯軍佔領，第2天，聯軍艦隊駛進亞速海。聯軍繳獲了100多門大炮，數千噸穀物和麪粉被銷燬。俄軍的運輸船、兵工廠、倉庫受到巨大的破壞。貝利西埃多次拒絕皇帝的命令，有一次他甚至切斷了電報聯繫。6月初，他在收到皇帝禁止行動的命令下，計劃對馬米隆發動一次聯合進攻。
1855年6月6日，第3次炮擊開始。聯軍主要炮擊目標是馬米隆。到了9日，法軍佔領了馬米隆而英軍推進到凸角堡的面前。俄軍組織了一次反突擊但失敗了。貝利西埃聲稱他是在馬米隆被拿下後才收到皇帝的電報。皇帝命令貝利西埃發動野戰打擊外圍的俄軍，貝利西埃答覆皇帝這是不可能的，他要求皇帝必須讓他採取符合戰場實際的行動，否則他將辭職。在貝利西埃等待皇帝答覆的同時，他又在計劃新的攻勢。1855年6月17日，聯軍第4次炮擊開始，英軍計劃攻佔凸角堡而法軍的目標是馬拉科夫要塞。俄軍事先知道了這次進攻，甚至知道貝利西埃和博斯奎特之間的爭吵以及貝利西埃將進攻提前到凌晨3點的詳細計劃。法軍在進攻開始後傷亡慘重，早晨8點30分貝利西埃下令撤退。英軍同樣糟糕，部隊在穿越1/4英里長的開闊地時，被葡萄彈和滑膛槍子彈嚴重殺傷。英軍傷亡1500人，法軍陣亡1500人、負傷1600人。
這次行動失敗對拉格倫勳爵精神上是一個沉重打擊，他已經感到筋疲力盡。霍亂再次光臨軍營。1855年6月14日，埃斯考特將軍宣佈拉格倫勳爵患上了嚴重的痢疾。1855年6月28日，拉格倫勳爵在睡夢中平靜的去世。至此，開戰時英法兩軍最高指揮官先後因病去世，聯軍軍營震動很大。7月1日，辛普森爵士繼任英軍總司令，但他顯然經驗不足，面對困難束手無策。土耳其在高加索戰場吃緊，奧馬爾帕夏的土耳其軍準備撤離克里米亞去解救高加索重鎮卡爾斯。拿破崙三世對此十分不滿但圍攻只能繼續。8月16日，哥爾查科夫集中4個步兵師和2個騎兵旅渡過徹那亞河向聯軍發動進攻，英軍只有一部分騎兵和炮兵參戰，但俄軍傷亡了8000人，最後一次解圍行動失敗。英軍指揮官辛普森對戰局感到悲觀，這使他受到來自倫敦的責備，倫敦在討論他的繼任人選。
1855年9月8日11點30分，聯軍開始第4次猛烈的炮擊。40分鐘後，聯軍總攻，這是有史以來第一次各部隊校對時間在同一時刻發動進攻。法軍麥克馬洪師進攻馬拉科夫要塞。僅僅10分鐘，要塞落入法國人的手中，隨後法軍又打退了俄軍的反擊。英軍對凸角堡的攻擊再次失利。英軍部隊被俄軍火力壓制在凸角堡腳下的胸牆後面而拒絕前進，不久他們就轉身撤退了。但馬拉科夫要塞的失守對俄軍來說是致命的，聯軍炮火可以從這裏覆蓋整個塞瓦斯托波爾，陷落只是時間的問題。當天夜裏，俄軍破壞了全部工事，攜帶炮兵和後勤設施有計劃的撤出了塞瓦斯托波爾。聯軍在圍攻了11個月後終於進入已經成爲廢墟的塞瓦斯托波爾。俄軍在塞瓦斯托波爾防禦戰上總體是成功的，它是陸海軍保衛瀕海要塞協同作戰的典範，儘管在軍隊、火炮數量上及武器質量上處於劣勢，俄軍夜間不斷出擊及大量運用地雷，和縱深梯次配置防禦體系給聯軍很大殺傷。塞瓦斯托波爾的保衛者在武器、彈藥和糧食方面極端困難，他們爲沙皇俄國軍事、經濟上的落後狀態付出了血的代價。
塞瓦斯托波爾陷落後，克里米亞戰場的軍事行動逐漸減少。俄軍進入塞瓦斯托波爾北面的高地，但貝利西埃拒絕皇帝的命令沒有反擊。巴贊將軍率領一部分法軍在皇帝的催促下攻佔了金本，切斷了奧德薩的對外運輸線。到了11月，拿破崙三世準備見好就收實現和平，而英國卻寧願繼續打下去。英軍得到大量補充，1856年1月，考靈頓爵士接替辛普森成爲新的英軍總司令，並準備發動春季攻勢。這時法軍卻爲疾病所困擾而英軍後勤充足，兵強馬壯。1856年的主旋律是期待和平，外交行動代替了軍事計劃，2月克里米亞戰場達成停火協議。
