Осада, временно замедленная неудачным штурмом, продолжалась, и положение изнемогавшего гарнизона становилось невыносимым. Геройские защитники Севастополя, которых, по выражению современников, толкли как в ступке, жаждали решительного боя, способного изменить их положение; к тому же склонялся и сам князь Горчаков.
В последних числах июля прибыли в Крым новые (3 пехотные диизии, а 27 июля (8 августа) получено повеление императора Александра II главнокомандующему собрать военный совет для решения вопроса о «необходимости предпринять что-либо решительное, дабы положить конец сей ужасной бойне». Большинство членов совета высказалось за наступление со стороны реки Чёрной. Князь Горчаков, хотя и не верил в успех нападения на сильно укреплённые позиции противника, однако поддался настояниям некоторых генералов. 4 (16) августа произошло сражение на реке Чёрной, где атака русских была отбита и они принуждены были отступить, понеся огромный урон.
Это ненужное сражение не переменило взаимного положения противников; защитники Севастополя оставались при той же решимости обороняться до последней крайности.
С 5 по 8 августа (17—20 августа) огонь 800 орудий осыпал защитников непрерывным градом свинца; русские теряли ежедневно 900—1000 человек; с 9 по 24 августа (21 августа — 5 сентября) огонь был несколько слабее, но тем не менее у гарнизона каждый день выбывало из строя 500—700 человек.

24 августа (4 сентября) 1854 началась 6-я усиленная бомбардировка, заставившая умолкнуть артиллерию Малахова кургана и 2-го бастиона. Севастополь представлял груду развалин; исправление укреплений сделалось невозможным.

27 августа (8 сентября[2]), после жестокого огня, союзники в полдень двинулись на штурм, Через ½ часа французы овладели Малаховым курганом; на всех прочих пунктах обороняющиеся, совершив чудеса храбрости, отбили нападение, однако дальнейшая оборона Севастополя уже не представляла никакой выгоды; в последние дни бомбардировка вырывала из русских рядов по 2½—3 тыс. человек, и стало очевидным, что держаться при подобных обстоятельствах не было возможности. Поэтому князь Горчаков решил оставить Севастополь, и в течение ночи перевёл свои войска на северную сторону. Город был зажжён, пороховые погреба взорваны, военные суда, стоявшие в бухте, затоплены. Союзники не решились преследовать русских, и только 11 сентября вступили в дымящиеся развалины Севастополя.
Итогом войны стало ослабление морского могущества России и ее влияния в Европе и на Ближнем Востоке.
Позиции Великобритании и Франции в Восточном Средиземноморье значительно укрепились.

Позорная Эвакуация высшего командования РККА в 1941 началась с помощью авиации. 13 самолетов ПС-84 вывезли на Кавказ около 200 человек. Около 700 человек начальствующего состава были вывезены подводными лодками. Ещё несколько тысяч смогли уйти на лёгких плавсредствах Черноморского флота. Командующий Приморской армии генерал Петров был эвакуирован на подводной лодке Щ-209 вечером 30 июня[29].
1 июля сопротивление защитников города прекратилось, кроме отдельных разрозненных очагов в которых отдельные группы советских воинов продолжали сражаться вплоть до 9-12 июля. 1942

Из справки начальника Управления Особых отделов НКВД СССР В. С. Абакумова от 1 июля 1942 г.:
«В беседе со мной […] командующий Черноморский флотом т. Октябрьский, находящийся в Новороссийске, о положении в Севастополе сообщил: […] в ночь с 30 июня на 1 июля противник ворвался в город и занял районы: вокзал и др.Оставшиеся бойцы дерутся героически, в плен не сдаются, при безвыходном положении уничтожают сами себя. […] Севастополя, как города, нет, разрушен»
Остатки Приморской армии, лишённые высшего командования, отошли на мыс Херсонес, где сопротивлялись ещё три дня. Немецкий генерал Курт фон Типпельскирх заявил о захвате на мысе Херсонес 100 тыс. пленных, 622 орудий, 26 танков и 141 самолётов[30][31]. Манштейн более осторожно сообщает о том, что на крайней оконечности полуострова было взято в плен 30 000 бойцов Красной Армии[32] и около 10 000 в районе Балаклавы[33]. По советским архивным данным число пленных не превышало 78 230 человек[31

Павших в последнем штурме русских и французских солдат по приказу генерала Мак-Магона похоронили в общей братской могиле, установив над ней монумент.