Главнокомандующий не смог взять на себя ответственность и отказаться от наступления, в успех которого сам он по-прежнему не верил. Накануне сражения Горчаков писал Военному министру: «Я иду против неприятеля, потому что если бы я этого не сделал, Севастополь всё равно пал бы в скором времени. Неприятель действует медленно и осторожно; он собрал невероятное множество снарядов на своих батареях; его подступы стесняют нас более и более, и нет почти ни одного пункта в Севастополе, который не подвергался бы его выстрелам. Пули свищут на Николаевской площади. Нельзя заблуждаться пустыми надеждами; я иду навстречу неприятелю при самых плохих обстоятельствах. Его позиция весьма сильна: правый фланг его на Гасфортовой горе, которой скаты почти отвесны и тщательно укреплены, а левый — на Федюхиных высотах, за глубоком наполненным водою каналом, через который можно перейти не иначе как по мостам, набросанным под сильным огнем неприятельским. У меня 43 тысячи челов. пехоты, а у неприятеля, если он распорядится по надлежащему, 60 тысяч. Ежели — на что я, впрочем, мало надеюсь — мне послужит счастие, я постараюсь воспользоваться успехом. В противном случае, придется положиться на волю Божию. Я отойду на высоты Мекензи и постараюсь очистить Севастополь с наименьшею потерею. Надеюсь, что мост на бухте поспеет в пору и что это облегчит мои действия. Не оставьте вспомнить свои обещания — оправдать меня. Если дела примут дурной оборот, я нисколько не виноват в этом. Я сделал всё возможное. Но задача была слишком трудна с самого прибытия моего в Крым».
У реки были отвесные берега, а от моста через канал начинался подъем в сторону позиций союзников. «Сапун-гора, — отмечал генерал П. А. Вревский, — имеет очень крутые скаты, увенчанные укреплениями. Прежде, чем подступить к ее скатам, необходимо овладеть Федюхиными высотами, на которых неприятель также успел возвести несколько батарей, наконец, другие укрепления возведены вплоть до самого берега Черной; по другую сторону этой реки находится нечто вроде канала или рва, проходимого только по мостам, которые еще надо построить». Всё это, безусловно, объясняло нерешительность командующего, который решил ограничиться ударом по Федюхиным высотам, от успеха которого зависели дальнейшие действия. Накануне сражения он не скрывал своего скепсиса относительного результатов завтрашнего дня. Русская армия готовилась к наступлению на практически неприступные позиции для того, чтобы Горчаков мог сказать, что сделал всё возможное для спасения Севастополя. Настроения Горчакова не могли настраивать армию на успех, а скверно подготовленный план еще менее способствовал победе. Для сражения на Черной речке было выделено 47 662 человека пехоты, 10 263 человека кавалерии, 224 пеших и 48 конных орудий.
Поскольку союзники в течение нескольких дней ожидали русской атаки, они, как это часто бывает, перестали верить в то, что она начнется. Ранним утром 4 (16) августа 1855 г. наши войска начали ее неожиданно для противника и имели ряд частных успехов, однако слабая координация действий отрядов, ввод в бой частей по отдельности и хорошо подготовленные позиции обороны привели к тому, что англичане и французы, используя преимущество обороны на хорошо подготовленных позициях, отбили русское наступление. Общие потери наших войск составили свыше 8 тыс. чел., союзников — свыше 1800 чел. При отступлении Горчаков находился с войсками, командуя ими под сильнейшим огнем. «На удачу я мало рассчитывал, — писал он 5 (17) августа императору, — но не думал понести столь большого урона». В реляции о сражении, написанной на следующий день, он фактически возложил вину за неудачу на своих погибших подчиненных. В письме к Паскевичу Горчаков был более выдержан: «Войска дрались геройски и не взирая на неудачу сохраняли прекрасный дух». Паскевич назвал эту операцию вечным позором нашей военной истории.
Император был крайне огорчен этой неудачей, но был по-прежнему решительно настроен. «Повторяю Вам, — писал он 11 (23) августа командующему, — что если суждено Севастополю пасть, то я буду считать эпоху эту только началом новой настоящей кампании…» В гарнизоне крепости ожидали от этого наступления слишком многого. Впечатление от поражения было чрезвычайно тяжелым. Судьба Севастополя действительно была решена. Еще в середине июня русские артиллеристы начали чувствовать и недостаток пороха и снарядов. На 467 орудий главной оборонительной линии имелось 100 тыс. выстрелов и 60 тыс. выстрелов для 1000 орудий прибрежных и вспомогательных батарей. При этом средний расчет выстрелов на одно орудие в день равнялся 60.
Транспортная система не справлялась с нуждами осажденной крепости. Кроме боеприпасов, необходимо было доставлять продовольствие и фураж. В 1855 г. в Крыму было сосредоточено около 300 тыс. чел. и 100 тыс. лошадей. В русском тылу на перевозках было задействовано 132 тыс. подвод, большая часть которых обслуживала грунтовый участок Каховка — Перекоп — Симферополь — Севастополь длиной около 290 км. В Каховку грузы сплавлялись по Днепру, далее они следовали гужевым транспортом. Здесь сосредотачивались основные проблемы, так как перегрузка слабозаселенной и бедной естественными источниками воды и фуража территории приводила к потерям волов и лошадей и низкой скорости передвижения транспортных колонн, иногда до 4 км в сутки. Обеспечить быстрое поступление большого количества грузов в Севастополь при таких условиях было невозможно.
Русский главнокомандующий уже не верил в возможность удержания города. Началась заблаговременная подготовка к эвакуации Южной стороны. Еще 23 июня (5 июля) был утвержден проект наплавного моста через бухту, поданный инженер-генерал-лейтенантом А. Е. Бухмейером. В тот же день был отдан приказ о закупке леса для строительства. 1200 бревен было закуплено в Херсонской области и доставлено в Севастополь. 2 (14) августа солдаты начали сооружать плоты шириной в три сажени (около 6,4 метра). 14 (26) августа было закончено сооружение наплавного моста через бухту. Состоявший из 86 плотов, он разводился пароходами и резко облегчил проблему перевозок. На следующий день по нему было открыто движение войск и грузов и огонь противника. Обстрел ничуть не повредил моста. За всё время он получил только 27 попаданий ядрами, которые оказались почти безвредными.
Отбив наступление Горчакова, 5 (17) августа союзники начали новую, исключительно интенсивную бомбардировку, продолжавшуюся до 8 (20 августа). Снабжение англичан и французов было организовано гораздо лучше. В первый день обстрела они выпустили около 17,5 тыс. выстрелов против 11 тыс. русских, во второй — 17 тыс. против 4,5 тыс., в третий и четвертый англо-французские батареи сделали 12 тыс. и 10 тыс. выстрелов, русские артиллеристы вынуждены были экономить. Практически вся Южная сторона оказалась в зоне досягаемости вражеской артиллерии. Только Николаевская батарея на Южной стороне и Павловская на Корабельной были безопасны от бомб и ядер. Всё остальное пространство было смертельно опасно. «Стоило любого сражения, — вспоминал участник обороны, — пройтись в эти дни по какой угодно улице Севастополя».
Потери гарнизона составляли от 600 до 1500 чел. в день, компенсировать их было некем. Союзники держали свою пехоту в тылу. Их потери в основном относились к артиллерии, с 17 до 20 августа они составили всего 711 человек. Вскоре бомбардировка возобновилась. Только за сутки 24 августа (5 сентября) союзники сделали по городу около 40 тыс. выстрелов, на которые наши артиллеристы смогли ответить только 20 тысячами. В гарнизоне выбыло около двух тысяч человек. В течение следующих двух дней противник делал более 50 тыс. выстрелов в сутки. За три дня гарнизон потерял 7561 защитника. Бомбы и ядра долетали до бухты. 24 августа (5 сентября) сгорел транспорт «Дунай» с грузом смолы и водки, 25 августа (6 сентября) — фрегат «Коварна». Бухта и город ярко освещались пламенем горящих кораблей. 26 августа (7 сентября) у Николаевской пристани взорвался баркас со 140 пудами пороха, второй баркас с таким же грузом только подходил к разгрузке. Он затонул от взрыва. Пороховые запасы гарнизона резко сократились.
Траншеи союзников были подведены на максимально близкое расстояние к русским оборонительным позициям, чтобы сделать возможной атаку одним броском. Французы находились в 40–50 метрах от Малахова кургана и 2-го бастиона, англичане — в 100 метрах от 3-го бастиона. Артиллерийский огонь буквально сносил брустверы русских укреплений, рвы перед ними были наполовину завалены, исправлять повреждения под огнем не удавалось. Стрельба была столь интенсивной, что при ясной безветренной погоде даже в городе невозможно было увидеть солнце.
27 августа (8 сентября), на 349-й день осады и после второго штурма, шестой бомбардировки и двенадцатой атаки, французы под командованием ген. Мак-Магона овладели Малаховым курганом — ключевой позицией в системе русской обороны Севастополя. На всех остальных участках противник был отражен. Попытки выбить французов с Малахового кургана не увенчались успехом. Горчаков, лично прибывший к войскам на линию огня, убедился в бессмысленности дальнейших контратак и приказал отступать.