Операция по затоплению кораблей срывала планы противника, поэтому он захотел взорвать затопленные корабли, чтобы устранить неожиданное заграждение у входа в Севастопольскую бухту. На пароходе «Принц» из Англии отправилась специальная команда с 4 водолазными приборами, 4 гальваническими батареями, запасом мин и т. д., но им не повезло: «Принц» вместе с командой и всем имуществом погиб во время разыгравшейся бури.
Огромная армия союзников окружила Севастополь и готовилась к штурму. С этого момента началась героическая оборона города, руководство которой было сосредоточено в руках вице-адмирала В.А. Корнилова. Население города, днем и ночью работало на строительстве оборонных сооружений: носили камни и землю, насыпали куртины, возводили бастионы, строили укрепления и устанавливали пушки, подвозили и укладывали патроны. Под руководством талантливого военного инженера Э.И. Тотлебена за короткий срок город принял вид крепости, а 5 октября 1854 года началась первая бомбардировка Севастополя. Через две недели союзники сосредоточили свои силы и обрушили удар на 4-й бастион. Бомбардировка была настолько сильной, что каждая минута казалась концом существования: с громом и оглушительным треском разрывались снаряды, с грохотом слетали с лафета орудия, кругом свист пуль и крики раненых… Но несмотря на это, солдаты и матросы проявляли настоящий героизм и мужество.
В ноябре рвавшиеся к 4-му бастиону французы были остановлены в 130 метрах от укрепления заградительным огнем русской артиллерии. Французы считали русских малознакомыми с подземно-минной войной и еще в Париже составили план осады Севастополя, на котором была обозначена галерея с пороховой камерой, уходящей под 4-й бастион. Этот план, полученный от секретных агентов, был передан Э.И. Тотлебену, начальнику инженерной службы Севастопольского гарнизона. За короткий срок русские инженеры и саперы разработали свой план ведения контрминных работ перед 4-м бастионом, исполнителем которого назначили штабс-капитана А.В. Мельникова. Под его руководством саперы и выделенные им в помощь пехотинцы пробили в скале ров, окружавший укрепления, 22 колодца и вывели из них 22 галереи (длиной до 30 метров каждая) навстречу неприятелю.
Вскоре в одном из слуховых рукавов была зафиксирована работа французских минеров. После тщательного прослушивания выяснилось, что противник идет в том же направлении, и тогда А.В. Мельников приготовил все для взрыва: было заложено около 200 килограммов пороха и проведены провода от гальванических батарей. Взрыв оказался для французов настолько неожиданным, что вражеский караул высунулся из-за бруствера по пояс, и русские батареи поразили его картечными залпами. Французская подземная галерея была разрушена на протяжении 28 метров, и образовавшийся окоп заняли и укрепили русские стрелки. За последующие семь месяцев минной войны враг не смог подойти к 4-му бастиону на близкое расстояние. После взрыва имя А.В. Мельникова стало известно всему Севастополю, его стали называть «главным подземным стражем города»: по личному повелению императора Николая I он был награжден орденом Святого Георгия IV степени.
Между 4-м бастионом и траншеями противника находилась батарея капитана 2-го ранга Н.И. Костомарова, которая должна была обстреливать площадку перед исходящим углом бастиона, защищать его от вражеского штурма и прикрывать огнем вылазки русских солдат. Батарея была выдвинута вперед к неприятелю, поэтому первый удар в случае вражеского штурма ей приходилось принимать на себя, кроме того, на нее падали все не долетавшие снаряды — и наши, и неприятельские.
Н.И. Костомаров правильно рассчитал, что во время штурма, особенно под сильным огнем 4-го бастиона, враг ни перед чем не остановится и постарается расправиться с его батареей: он пойдет дальше, чтобы побыстрее достичь вала. И тогда Н.И. Костомаров приказал четыре годных оружия зарядить картечью, чтобы стрелять ими через бруствер. За ними в два ряда были поставлены те подбитые орудия, из которых можно было сделать хотя бы по одному выстрелу. Эти орудия была заряжены камнями, осколками снарядов и всем, что попадалось под руку. Сначала неприятеля должны была встречать картечь, а если он все же ворвется на батарею, его встретит стрельба в упор из испорченных, но заряженных орудий. Не останавливаясь на этом, Н.И. Костомаров приказал еще вырыть небольшие ямы и положить в них тоже подбитые орудия — дулом к валу бастиона: если бы французам удалось смять его батарею, то оставшиеся в живых солдаты все равно смогут выстрелить по одному разу им в тыл. Сам Н.И. Костомаров был сильно ранен в грудь, спину и ногу. В таком ежеминутном ожидании натиска батарея находилась не день и не два, а почти 11 месяцев. Император Николай I наградил командира батареи орденом Святой Анны III степени с мечами, орденом Святого Владимира IV степени с мечами, орденом Святого Георгия IV степени…