Севастополь играл ключевую роль в Крымской войне 1853—1856 гг. 2(14) сентября 1854 года 62-тысячная соединённая армия Англии, Франции и Турции высадилась под Евпаторией и направилась к Севастополю, на защиту которого встали 25 тысяч моряков и 7-тысячный гарнизон города. Подавляющим было также преимущество флота нападавших, ввиду чего позднее было принято решение о затоплении российских кораблей для преграждения входа в Севастопольскую бухту.
Виктор Гюго сравнил осаду Севастополя с осадой Трои. Историк Камилл Руссе, так разъясняет метафору Гюго: «Все это также происходило на уголке земли, на границе между Азией и Европой, где великие империи встретились… Десять лет перед Троей, десять месяцев перед Севастополем».
13(25) сентября город был объявлен на осадном положении, началась Героическая Оборона Севастополя, длившаяся 349 дней, до 27 августа (8 сентября) 1855 года. Благодаря беспримерному мужеству защитников, несмотря на шесть массированных бомбардировок и два штурма, союзники так и не смогли взять военно-морскую крепость Севастополь. Хотя в результате русские войска отошли на Северную сторону, они оставили противнику одни развалины.
По Парижскому мирному договору (1856) России и Турции запрещалось иметь военный флот на Чёрном море. Разрушенный город на время потерял стратегическое значение, но стал крупным центром туризма. После упразднения военного порта в Севастополь был разрешен заход иностранных торговых судов.
В 1867 году Севастополь посетил Марк Твен. В «Простаках за границей» он так описал город:
Помпея сохранилась куда лучше Севастополя. В какую сторону ни глянь, всюду развалины, одни только развалины! Разрушенные дома, обвалившиеся стены, груды обломков — полное разорение. Будто чудовищное землетрясение всей своей мощью обрушилось на этот клочок суши. Долгих полтора года война бушевала здесь и оставила город в таких развалинах, печальнее которых не видано под солнцем. Ни один дом не остался невредимым, ни в одном нельзя жить. Трудно представить себе более ужасное, более полное разрушение. Дома здесь были сооружены на совесть, сложены из камня, но пушечные ядра били по ним снова и снова, срывали крыши, разрубали стены сверху донизу, и теперь на полмили здесь тянутся одни разбитые печные трубы. Даже угадать невозможно, как выглядели эти дома. У самых больших зданий снесены углы, колонны расколоты пополам, карнизы разбиты вдребезги, в стенах зияют дыры. Иные из них такие круглые и аккуратные, словно их просверлили дрелью. Другие пробиты не насквозь, и в стене остался такой ровный, гладкий и четкий след, словно его нарочно шлифовали. Тут и там ядра застряли в стенах, и ржавые слезы сочатся из-под них, оставляя на камне темную дорожку.
В 1875 году построена железная дорога Харьков-Лозовая-Севастополь.
Необходимость возрождения российского Черноморского флота снова возникла в ходе Русско-турецкой войны 1877—1878 гг., когда Турция ввела в Чёрное море броненосный флот, а Россия смогла противопоставить только вооружённые торговые суда и легкие корабли.
В 1890 году Севастополь причислен к разряду крепостей, торговый порт перенесён в Феодосию.