对联军而言，1854-1855年冬天是最艰难的时刻。进入1855年以后，局势变得对俄国日渐不利。1月，撒丁王国加入英法联军，带来了1.5万名生力军，奥斯曼帝国调来了三万军队，精锐的法国近卫军也赶到了前线，联军总兵力达到12万之众；供应条件也显著改善，大量军火和补给品源源而来。2月，为解围塞瓦斯托波尔，1.9万俄军发起进攻，竟然被在克里米亚打酱油的奥斯曼军队彻底击溃；3月2日，尼古拉一世在绝望中服毒自杀，把烂摊子留给了儿子亚历山大二世。
亚历山大面临的局势的确“压力山大”。5月份，联军占领克里米亚半岛东端的刻赤，这里储藏着可供10万人食用近4个月的军粮，俄国损失惨重。6月18日，联军对塞瓦斯托波尔发起大规模进攻——这一天是滑铁卢战役40周年，拿破仑三世早就在法国议会宣布，要以胜利隆重纪念滑铁卢战役，为他的伟大伯父、为波拿巴家族、为整个法国雪耻。志在必得的法军甚至为近卫军准备好了华丽的阅兵服装用于在塞瓦斯托波尔庆祝胜利。可惜法军进攻时组织不力，将爆破弹错看成了信号弹，遂因各部行动不统一失利，得意洋洋的俄军军官在第二天休战时揶揄联军：“昨天你们的将军在指挥进攻时是不是喝醉了？”
“我在此地，我留守此处”
然而，6月18日的胜利并不能扭转俄军的颓势，在联军的炮击下，塞瓦斯托波尔的守卫者每天都要损失500至700人。到1855年9月份，围攻战进入了决定性的阶段。从9月5日开始，联军动用807门大炮，火炮密度达到一公里正面150门，对要塞进行了最猛烈的炮击。在历时三天持续不断的炮击中，联军倾泻了15万发炮弹，摧毁了俄军全部工事。9月8日，6万联军对4万守军发起总攻。这一次，联军吸取了教训，为了保证行动机密，没有发出专门的进攻信号，而是根据协调好的时间发起进攻。带领进攻的军官们在战争史上第一次知道了要对表统一时间，这也成为现代战争中的通例。
联军攻击的焦点是位于塞瓦斯托波尔南区的马拉霍夫冈，它是一个至关重要的制高点，高耸于城市之上，成为军港区和市区的屏障。在进攻开始时，这里的守军只有500名老兵和4个营的新兵——大部分连步枪都从未用过。但守卫者用手里拿到的一切东西与联军作战，用铁锹、石块打击敌人。法军则以十倍的优势兵力，如潮水般冲上高地，却在白刃战中两次被俄军击退。俄国人自豪地声称“欧洲任何国家的士兵在刺刀单拼战中都远不是俄罗斯士兵的敌手。刺刀一到俄军手中，就能创造奇迹！”在长达4个半小时的恶战中，先后赶来增援的俄军3个师的高级军官亲自指挥士兵进行反击，在激战中全部阵亡。而法军也牺牲了7550人，5名将军战死。一位俄国军官回忆：“我曾经参加多次战役，但从未听见像塞瓦斯托波尔最后攻击时那样的子弹飞行。子弹像水一样流淌而下，如同子弹的潮流一般。由于硝烟弥漫，我们无法向已经部分占领堡垒的法国人瞄准射击。我们只能用与地面保持平行的方法向弥漫的硝烟开火！”最后，日后普法战争中的败军之将麦克马洪率领一个师的法军夺占了血流成河的高地。相传他给上级的报告仅仅两句话“我在此地，我留守此处（J’y suis, j’y reste）”。
在这一天的战斗中，俄军在其余阵地都击退了联军的进攻，但仅仅马拉霍夫冈的陷落决定了塞瓦斯托波尔的命运，占领马拉霍夫冈的法军架起大炮，火力已能覆盖整个城市。眼看败局已经无法挽回，9月8日夜，俄国黑海舰队残余战舰相继自沉。残余俄军烧毁建筑物，炸毁弹药库， “使整个地区变成了一座烈火熊熊的大火炉”。亲身经历这场战争的列夫·托尔斯泰（一名俄军炮兵军官）用他文学家的语言描述到，3万俄军“穿过那伸手不见五指的黑暗，缓慢地离开了这个浸透他们鲜血的地方”。历经349天的攻城战终于结束了，在整个战役中，联军战斗伤亡7.3万，俄军伤亡10.2万人。
塞瓦斯托波尔易手后，战争实际已经停止。统治海洋的联军继续封锁着波罗的海、黑海和太平洋的俄国海岸。虽然如此，在令联军“遭受了超过历史上迄今为止所发生过的一切反抗的反抗（《泰晤士报》语）”之后，俄国实在已经无力再战。整个克里米亚战争中，俄国已经损失52.2万人，耗资8亿卢布，国库已经枯竭。政府只好画饼充饥，依靠彼得堡银行的地下室藏有“秘密珍宝”之类的谣言稳定人心。等到1855年12月，普鲁士和奥地利联手发出几乎等于最后通牒的和谈“建议”时，俄国政府已经没有任何选择，只能接受。
1856年2月的巴黎和谈最后结束了克里米亚战争。英法统治者毕竟需要保留沙俄这个庞然大物镇压欧洲的无产阶级革命，因此《巴黎和约》对俄国“条件极其宽大”，按照法国代表的说法“看不出谁是战胜者，谁是战败者。”但是，俄国毕竟被禁止“在黑海沿岸设立或保留任何陆海军的军火库”。这对俄国的声望是巨大的打击，俄国再也不能充当欧洲宪兵的角色了，也没有实力再来维护维也纳会议的领土安排了。俄国人自己承认，“俄国正在喘息，俄国要从国际事务上撤退”——但这只是针对欧洲而言。克里米亚战争砍下了“双头鹰”（沙俄国徽）朝西的那颗头颅，但向东的却完好无损。俄国暂时退出了欧洲事务，取而代之的是在东方的扩张，从帕米尔高原到海参崴，大清帝国的“边疆危机”不期而至。而对于人类战争史来说，克里米亚战争揭开了工业纪元战争的新时代。在战争中出现的诸多“第一次”，在19世纪下半叶随后的战争中得到了广泛的运用。战争，变得和过去大不一样了。
