Немедленно были приняты меры к отражению вторжения. 1 сентября Корнилов предписал Нахимову, чтобы все суда его эскадры состояли в полной готовности сняться с якоря во всякое время. Уже на следующий день Нахимов сообщил Корнилову диспозицию эскадры при выходе в море одной или двумя колоннами. В тот же день он получил приказ начальника штаба флота о приведении кораблей в боевую готовность и формировании батальонов из экипажей. 7 сентября Корнилов назначил на случай тревоги начальником войск на северной стороне контр-адмирала Истомина, а на южной — контр-адмирала Панфилова; общее начальство над флотом и морскими батальонами в отсутствие Корнилова было поручено Нахимову.
Высадка союзников, Альминское сражение и уход армии создали критическое положение в Севастополе. Только задержка движения неприятельских войск позволила защитить город с суши орудиями и моряками, занявшими наскоро построенные укрепления. Чтобы преградить путь противнику в бухту, 11 сентября между Константиновской и Александровской батареями были затоплены 5 старых кораблей и 2 фрегата, в спешке на них оставили артиллерию. В тот же день Меншиков поручил Корнилову оборону северной, а Нахимову — южной стороны. Начиналась героическая оборона Севастополя.
12 сентября Нахимов рапортовал адмиралу М. Н. Станюковичу, что не в состоянии совмещать обязанности, и просил передать командование эскадрой младшему флагману. Однако Меншиков приказал отменить назначение вице-адмирала командиром морских команд на берегу и предписал оставаться на рейде с флагом.
Несколько дней судьба Севастополя висела на волоске. Город, оставленный армией, был почти беззащитен и мог стать легкой добычей противника. Ожидая неизбежного, по его мнению, захвата города с суши, Нахимов решил защищать главную базу на берегу, а оставшиеся корабли затопить, чтобы они не достались врагу. Решительный на море, вице-адмирал на сухом пути избрал, как ему казалось, наилучший выход, чтобы выполнить приказ о защите южной стороны. 14 сентября он отдал приказ № 129:
«Неприятель подступает к городу, в котором весьма мало гарнизона; я в необходимости нахожусь затопить суда вверенной мне эскадры и оставшиеся на них команды с абордажным оружием присоединить к гарнизону. Я уверен в командирах, офицерах и командах, что каждый из них будет драться как герой: нас соберется до трех тысяч; сборный пункт на Театральной площади. О чем по эскадре объявляю».
Нахимов, для которого флот был и жизнью, и семьей, мог решиться на такой шаг только в крайнем случае, ибо понимал, что потеря Севастополя грозит потерей флота, а при сохранении главной базы флот можно было вновь построить. В условиях безвластия при незнании обстановки, тем более после затопления части флота для защиты с моря, этот шаг казался оправданным.
Утром 14 сентября на корабли поступил приказ после поднятия сигнала на «Двенадцати апостолах» начать затопление. В 8.30 такой сигнал появился, и началось затопление корабля «Ростислав», но вскоре было прекращено. В события вмешался Корнилов. В планы командования уничтожение всех кораблей не входило. Как человек, отвечающий за флот, начальник штаба в 10.00 передал запрещение исполнять под угрозой наказания приказы Нахимова о затоплении или сожжении кораблей до подтверждения этого сигнала с корабля «Великий князь Константин», где находился Корнилов.
Уже на следующий день, когда стало ясно, что штурма не будет и союзники приступают к осаде, все усилия были направлены на оборону города с суши, которой в мирное время почти не существовало. На строящиеся укрепления южной стороны с кораблей отправляли боеприпасы. Более упорядоченный характер принимали морские батальоны. Принимали меры для защиты парусников от пожаров.
29 сентября Корнилов приказал создать запасные парки (по 8 24-фунтовых пушек на три бастиона и Малахов курган) из корабельных орудий по назначению Нахимова. Постепенно все больше орудий с кораблей перевозили на сооружаемые бастионы, которыми командовали моряки. И русские, и их противники сооружали батареи. Против 25 тысяч войск в Севастополе неприятель располагал большими силами.
Налаживалась и деятельность флота. Главной действующей силой оказались пароходы. 21 сентября, для организации совместных действий паровых судов с армией, Корнилов отдал соответствующий приказ; в конце сентября Нахимов издал инструкцию для пароходов, выходящих на позиции. Речь шла о защите с помощью паровых судов и высланных с них шлюпок подступов к рейду при возможных диверсиях с моря. Так как парусники оказались запертыми в гавани, 2 октября, ожидая бомбардировки, Корнилов приказал расставить их в более безопасные места и поручил это Нахимову.
5 октября началась первая бомбардировка Севастополя с моря и суши. Несмотря на огромный расход боеприпасов, союзники не смогли добиться успеха. Морская и сухопутная артиллерия умело отвечала неприятелю. Атаку с моря и суши защитники отразили с большими потерями для неприятеля. Нахимов служил примером деятельности и распорядительности. В день обстрела вице-адмирал был легко ранен в голову. После гибели 5 октября на Малаховом кургане Корнилова Павел Степанович стал фактическим руководителем и душой обороны.
В письме обер-интенданту Черноморского флота и портов контр-адмиралу Н. Ф. Метлину Нахимов, сообщая о смерти Корнилова, отмечал: «У нас без Владимира Алексеевича идет безначалие». Корнилов, имея влияние на Меншикова, действовал именем князя. С его смертью рвались нити, согласовывавшие действия главнокомандующего, флота и армии. Нахимову предстояло теперь выполнять обязанности погибшего Корнилова.
Первоначально П. С. Нахимов радел о флоте в первую очередь. Во время первой бомбардировки днем он был на суше, а ночью отправлялся на эскадру, где оставалось лишь 150 человек на кораблях и 60 — на фрегатах, вооруженных холодным оружием для обороны от возможных нападений неприятеля. Но все больше проблем сухопутной обороны требовали его вмешательства. К Нахимову, не имевшему официально власти, обращались с просьбами по разным вопросам, и он по возможности разрешал их. К примеру, при нехватке больничных коек корабль «Императрица Мария» превратили в госпиталь для раненых. Почти каждый день вице-адмирал находил время посетить госпитали. Но главное, он объезжал линию, показывая пример мужества и твердости под неприятельскими пулями и снарядами. Эти демонстрации давали моряку тот авторитет, какого не могла дать формальная власть. Вице-адмирал Станюкович, сменивший Корнилова, предложил Нахимову ни во что не вмешиваться. Однако флагман не мог не выполнять долг так, как он его видел. В письме Н. Ф. Метлину Нахимов объяснял:
«Хожу же я по батареям в сюртуке и эполетах потому, что, мне кажется, морской офицер должен быть до последней минуты пристойно одет, да как-то это дает мне больше влияния не только на наших, но и на солдат».
С другой стороны, он требовал от начальников уменьшения потерь, оставляя при обстреле у орудий минимум людей, и писал, что «…заботливый офицер, пользуясь обстоятельствами, всегда отыщет средство сделать экономию в людях и тем уменьшить число подвергающихся опасности…».
Солдаты любя называли Нахимова «батька-адмирал».
В день Инкерманского сражения меры, принятые Нахимовым (мост через реку Черная, высланные в Инкерманскую бухту пароходы, огнем поддержавшие наступление и отход русских войск), способствовали уменьшению русских потерь.
Одновременно Нахимов занимался делами морскими. По его приказу у разрушенного корпуса затопленной «Силистрии» 5 ноября затопили корабль «Гавриил», чтобы восстановить заграждение у входа на рейд. 24 ноября с разрешения Меншикова он организовал вылазку пароходов «Владимир» и «Херсонес», которые атаковали наблюдавший за движением на рейде неприятельский пароход, заставили его бежать и тем вызвали переполох в союзном флоте. Моряки показали, что флот жив. Вполне резонно 25 ноября Нахимов писал Станюковичу о нецелесообразности отправки на батареи артиллерийских офицеров пароходов, находящихся в боевой готовности.
30 ноября Нахимов принял на себя обязанности помощника начальника Севастопольского гарнизона генерала графа Д. Е. Остен-Сакена. Официальных прав он не получил, да и оформил это назначение Меншиков лишь 1 февраля 1855 года. Лишь моральное право, которое давали любовь и уважение защитников города, позволяло ему делать немало нужного для обороны. Например, в декабре 1854 года, кроме «Императрицы Марии», под временный госпиталь были определены еще 3 корабля и 2 фрегата.
По предложению вице-адмирала моряки с пароходов получали награды за вылазки в море и обстрелы неприятельских позиций. Оценивая важность этой единственной подвижной части флота, Нахимов писал в ответ на требование вице-адмирала М. Н. Станюковича 24 ноября 1854 года послать на оборонительную линию артиллерийских офицеров с паровых судов:
