Между тем противник получил новое подкрепление, вследствие чего силы его под Севастополем возросли до 120 тыс. Руководство осадными работами, которые теперь направлены были против Малахова кургана, ключа севастопольской оборонительной линии, принял присланный Наполеоном III французский инженер генерал А. Ниель.
28 марта союзниками была предпринята вторая массированная бомбардировка Севастополя, после чего предполагалось начать его штурм. Адский огонь, продолжавшийся в течение 10 дней, тем не менее, не дал ожидаемого результата, так как разрушаемые укрепления за ночь исправлялись защитниками города. В результате штурм был отложен, но из строя русских, вынужденных в его ожидании держать резервы под огнем, за эти дни выбыло более 6 тыс. чел.
Осада Севастополя продолжалась с прежним упорством, причем постепенно перевес сил оказался на стороне противника, к которому прибыло подкрепление. Таким образом, силы союзников в Крыму возросли до 170 тыс. В связи с создавшимся численным перевесом Наполеон III требовал решительных действий. Командованием союзников было решено отправить экспедицию в восточную часть Крыма, чтобы лишить русских возможности подвозить продовольствие с берегов Азовского моря и перерезать коммуникации Севастополя, идущие через Чонгарскую переправу и Перекопский перешеек.
Вблизи Керчи был высажен 16-тысячный корпус союзников, который занял город, откуда отряды неприятеля все лето опустошали Азовское побережье, грабя прибрежные населенные пункты и истребляя запасы продовольствия. Однако их десанты под Арабатом, Геническом и Таганрогом были отражены и не смогли проникнуть к стратегически важной Чонгарской переправе через Сиваш.
22 мая французы завладели под Севастополем Федюхиными и Балаклавскими горами и долиною реки Черной, после чего начали наступление на Малахов курган — центральную позицию севастопольской обороны. Вслед за третьей бомбардировкой города союзники, после упорнейшего боя и громадных потерь, овладели передовыми укреплениями обороны: Селенгинским и Волынским редутами и Камчатским люнетом. Теперь для войск противника был открыт доступ к Малахову кургану, и положение осажденного города стало критическим: боеприпасы защитников Севастополя были на исходе (их подвоз осуществлялся с очень большими трудностями).
Князь Горчаков потерял надежду спасти Севастополь и думал о том, как без больших потерь вывести оттуда гарнизон. 6 июня французы и англичане бросились на штурм города, но были отбиты, понеся большие потери. Однако осада продолжалась, и положение гарнизона становилось все более невыносимым (7 марта оторвало ядром голову доблестному защитнику Малахова кургана, адмиралу В. И. Истомину, 8 июня был тяжело ранен Тотлебен, а 28 июня смертельно ранило адмирала Нахимова). В начале июня Александр II, вступивший на престол после смерти Николая I, получил из Брюсселя сведения, согласно которым французы посылают под Севастополь новые части (24 тыс. солдат), задача которых — достичь Перекопа, то есть союзники собирались отрезать Крым от России. В этой связи царь пишет Горчакову:
