К февралю 1855 года силы союзников увеличились до 120 тысяч человек. Союзники развернули подготовку к новому штурму города. Главный удар был направлен против Малахова кургана – ключевой позиции осаждённых. Для артиллерийского обстрела Малахова кургана построили две батареи на Киленбалочной высоте.
Организаторы Севастопольской обороны адмирал Нахимов, Истомин и военный генерал Тотлебен уделяли большое внимание строительству укреплений, которые прикрывали подступ к Малахову кургану. Установленные там орудия держали под перекрёстным огнём вновь построенные батареи противника. Через Южную бухту был сооружён наплавной мост, по которому на Корабельную сторону перебрасывались подкрепления и боеприпасы. В бухте дополнительно были затоплены 3 линейных кораблей и 2 фрегата, закрывавшие вход на рейд. С целью ослабить натиск противника на Севастополь 5 февраля отряд генерала С. А. Хрулёва пошёл на штурм сильно укреплённой Евпатории, но атака была отбита. В кровопролитном бою обе стороны понесли тяжёлые потери.
С 28 марта по 4 апреля неприятель предпринял вторую бомбардировку Севастополя. Огонь по городу вели более 500 орудий. Гарнизон нёс большие потери, но не был сломлен.
11 мая была сорвана попытка двух французских дивизий ночью штурмом прорвать оборону. Третья бомбардировка Севастополя началась 26 мая и продолжалась до 30 мая. На штурм укреплений, было, брошено пять дивизий. Но только после того, как обороняющие потеряли большую часть войск, некоторые редуты были сданы врагу.
Массовый героизм проявляли защитники Севастополя. Рискуя жизнью, герои спасали от взрыв бомб своих товарищей, мастерски вели подземно-минную борьбу. Севастопольские женщины под огнём перевязывали раненых, приносили воду, чинили одежду. В летопись обороны вошли имена Даши Севастопольской, Прасковьи Графой и других патриоток. Неоценимую помощь обороняющим оказал замечательный хирург Н.И. Пирогов, спасший жизнь многим раненым. 6 июня после четвёртой бомбардировки 44 тысячи солдат врага штурмовали Корабельную сторону, но были отбиты героическими усилиями 20 тысяч её защитников. Несмотря на это, положение севастопольцев оставалось тяжёлым, силы их таяли. 8 июня был ранен Тотлебен, 28 июня смертельно ранен руководитель обороны Нахимов. Смерть любимого адмирала была тяжёлой утратой, но не сломила боевой дух севастопольцев.
28 августа начался общий штурм Севастополя 60-тысячной армией противника. Но, несмотря на значительное превосходство в силах, французам удалось закрепить только на Малаховым кургане, где 6 тысячам вражеских солдат оказывали сопротивление только 400 русских.
Вечером из-за больших потерь главнокомандующий крымской армией генерал от артиллерии М.Д. Горчаков отдал приказ оставить Южную страну, взорвав пороховые погреба, верфи и укрепления и затопив на рейде оставшиеся суда. Эвакуация прошла беспрепятственно, так как противник понёс большие потери и к тому же считал, что город минирован. 28 августа русские войска заняли линию обороны Северной стороне.
Героическая 349-дневная оборона Севастополя, сорвавшая захватнические планы союзников, истощила их силы настолько, что они не могли продолжать активные военные действия, и вынуждены были вступить в переговоры о мире.
18 марта 1856 г7ода был заключён Парижский мирный договор. По условиям этого договора союзники должны были освободить занятый им Севастополь, Евпаторию, Керчь, Кинбурн и другие селения. Россия возвращала Турции занятые русскими войсками Карс и часть придунайской Бесарабии, отказывалась от притязаний на покровительство православным подданным Турции, была лишена права иметь военный флот и базы на Чёрном море, признавала протекторат великих держав над Молдавией, Валахией и Сербией, обязалась не возводить укреплений на Аландских островах (Ахвененма). Чёрное море объявлялось нейтральным, то есть закрытым для военных кораблей всех стран и открытым для торговых судов всех наций. Объявлялось также свобода плаванья по Дунаю.
Несправедливая захватническая с обеих сторон война вскрыла социально-экономическую и военную ортосоль России. Поражение подорвало её престиж и ускорило отмену крепостного права. Опыт Севастопольской обороны и Крымской войны был использован при проведении военных реформ в России и применён в войнах второй половины XIX.