В феврале 1855 г. Меншикова сменил генерал М. Д. Горчаков, под чьим командованием русские войска в августе потерпели тяжелое поражение на Черной речке. Судьба Севастополя была предрешена. К началу лета против 40 тыс. севастопольского гарнизона действовала насчитывавшая 140 тыс. армия союзников. В июне, в день годовщины битвы при Ватерлоо, союзники предприняли решительный штурм севастопольских укреплений, который был отбит с большими для них потерями. Душой обороны был Нахимов, который несколько дней спустя был смертельно ранен. 27 августа союзники предприняли очередной штурм Севастополя, в ходе которого был взят господствовавший над городом Малахов курган. По приказу Горчакова гарнизон оставил Севастополь, затопив последние корабли и взорвав укрепления. С падением Севастополя военные действия в Крыму прекратились.
Героическая оборона Севастополя показала стойкость солдат, матросов и офицеров и одновременно выявила военно-техническую отсталость армии и флота, неготовность России к современной войне. Не только севастопольский гарнизон, но и полевая армия были фактически отрезаны от источников пополнения, испытывали острый недостаток вооружения, боеприпасов и продовольствия: снабжение велось с использованием фур, в которые были запряжены волы, в распутицу оно прекращалось. Неслыханных размеров достигли интендантские злоупотребления. В войсках была велика эпидемическая смертность.
В определенной мере тяжесть военного поражения смягчали успешные действия русской армии на Кавказском театре, где еще в ноябре 1853 г. генерал В. О. Бебутов разгромил втрое превосходящие турецкие части при Башкадыкларе. Это означало предотвращение угрозы турецкого вторжения в Закавказье. На следующий год попытки турок перейти в наступление были отбиты. Русские войска взяли крепость Баязет и нанесли в октябре сокрушительное поражение главным объединениям противника при Кюрюк-Даре, после чего турецкая армия на Кавказе как боевая сила перестала существовать. Весной 1855 г. войска Н. Н. Муравьева блокировали Каре, гарнизон которого, руководимый английским генералом, в ноябре капитулировал. Современники сопоставляли взятие мощной крепости Карса с обороной Севастополя. Победы Кавказской армии создавали благоприятный фон для того, чтобы Россия дала официальное согласие на возобновление мирных переговоров.
Парижский мир.
В разгар войны, 18 февраля 1855 г. умер Николай I, сказав перед смертью: «Сдаю тебе мою команду, но, к сожалению, не в том порядке, как желал». На престол взошел его сын Александр II, который постепенно осознал бесперспективность ведения войны. После получения известия о взятии Карса он принял новые австрийские предложения и пошел на уступки. В феврале 1856 г. в Париже началась работа конгресса, в которой участвовали Россия, Австрия, Англия, Франция, Турция и воевавшая на стороне союзников Сардиния. Вскоре к ним присоединилась Пруссия. Русскую делегацию возглавлял А. Ф. Орлов, верный друг покойного императора, на долю которого выпало подвести итог николаевскому правлению. Во многом благодаря твердости и дипломатическому искусству Орлова условия Парижского мира, подписанного в марте, не отражали всей глубины военного и дипломатического поражения России.Парижский трактат объявлял о нейтрализации Черного моря, что для России означало запрет иметь там военный флот и необходимость ликвидации крепостных сооружений и арсеналов. Фактически это вело к тому, что над ее южными границами повисла опасность нового вторжения, поскольку Османская империя и ее союзники могли провести через проливы свои военные эскадры, находившиеся в Средиземном море. Орлову удалось отстоять нерушимость российской границы в Закавказье, но южная часть Бессарабии и устье Дуная от нее отходили. Каре возвращался под власть Турции, но полностью восстанавливалась довоенная граница на Западном Кавказе. Турция признавала все Кавказское побережье Черного моря российским владением. Россия была лишена права единоличного покровительства Сербии, что подорвало ее позиции на Балканах. Дунайские княжества — Молдавия и Валахия, оставаясь под верховной властью Порты, сохраняли «независимое и национальное управление, а равно и полную свободу вероисповедания, законодательства, торговли и судоходства». Особая конвенция о проливах подтверждала их закрытие для военных кораблей в мирное время, что можно рассматривать как небольшой успех российской дипломатии.