На следующий день после боя на речке Черной, 5 августа, противник начал пятую бомбардировку города, а 24 августа – шестую, которая продолжалась до 27 августа. В течение трех суток англичане и французы выпустили по русским укреплениям до 150 тысяч снарядов.
Потери русских превышали 7 тысяч человек. Особенно сильные разрушения были на Малаховом кургане, против которого был сосредоточен основной огонь противника.
В полдень 27 августа неприятельские войска закончили последние приготовления для решительного броска и начали штурм русских укреплений. Целая французская дивизия атаковала Малахов курган, где в это время находилось менее тысячи русских матросов и солдат. Одновременно с атакой Малахова кургана начался штурм бастиона № 2. Лишь после того, как в результате кровопролитной схватки с немногочисленным отрядом русских войск французам удалось овладеть Малаховым курганом, англичане решили начать наступление против бастиона № 3.
Защитники Севастополя проявили 27 августа беспримерный героизм, отстаивая город от натиска коалиционной армии. Несмотря на огромное численное превосходство неприятеля, русские войска стойко сопротивлялись. В ход пошли камни, топоры, банники, ганшпуги; начались кровопролитные рукопашные бои. Шесть раз французы безуспешно бросались на штурм бастиона № 2, но каждый раз отступали с огромными потерями. Английские войска, испытавшие мощь русского огня и штыка, выжидали окончания французских атак.
Вместе с сухопутными войсками в защите города в часы последнего штурма приняли самое активное участие все русские пароходо-фрегаты. Как только неприятельские войска устремились на штурм севастопольских укреплений, пароходо-фрегаты по сигналу с флагманского линейного корабля «Вел. кн. Константин» заняли места по заранее указанной диспозиции.
«Владимир», проходя мимо Ушаковой балки, с ходу обстрелял укрепления французов на бывшем Камчатском люнете, а затем открыл сильный огонь картечью по колоннам неприятельских войск, штурмовавших левый фланг оборонительной линии города в районе бастиона № 2. Капитан 1-го ранга Бутаков поставил свой пароходо-фрегат так близко к берегу, что противник вначале не мог обстреливать «Владимир» из орудий и вел по нему штуцерный огонь. Вместе с «Владимиром» неприятельские войска обстреливали пароходо-фрегаты «Херсонес» и «Одесса». Героическое сопротивление защитников бастиона, поддержанных артиллерийским огнем пароходо-фрегатов, остановило наступление французских войск.
Противник усилил артиллерийскую канонаду по рейду, стремясь уничтожить русские пароходо-фрегаты. Около 14 часов получил попадание в машинное отделение и загорелся «Херсонес», вскоре появились повреждения в машинах и возник пожар на «Одессе», к 16 часам «Владимир» насчитывал свыше 20 пробоин. Поврежденные суда были отбуксированы пароходо-фрегатом «Крым» к Аполлоновой балке, где экипажи их начали исправлять повреждения.
Пароходо-фрегаты «Бессарабия» и «Громоносец», ставшие на позицию в Корабельной бухте, обстреливали английские войска, штурмовавшие бастион № 3. Английские войска понесли громадные потери от огня русской крепостной и судовой артиллерии. Попытка англичан овладеть бастионом окончилась провалом. После отступления английских войск орудия бастиона № 3, «Бессарабии» и «Громоносца» были направлены против Малахова кургана, где французам удалось закрепиться. Лишь в 18 часов, когда на обоих пароходо-фрегатах кончились все снаряды, они перешли в Большую бухту.
Английские и французские адмиралы во время штурма 27 августа вновь проявили свою беспомощность. Накануне штурма командование коалиционной армии рассчитывало, что соединенный флот также примет участие в бомбардировке Севастополя, и с утра 27 августа 10 линейных кораблей и 15 пароходов соединенного флота направились к Севастопольскому рейду. Однако до рейда они не дошли, участия в бомбардировке города не приняли, оставшись лишь свидетелями того, как их войска штурмовали город.
К вечеру 27 августа героические защитники Севастополя отбили штурм на всех укреплениях, кроме Малахова кургана. Несмотря на серьезные потери, нехватку снарядов и большие разрушения укреплений в результате неприятельских бомбардировок, русские солдаты и матросы были готовы вновь броситься в атаку и выбить противника с Малахова кургана. Однако главнокомандующий Горчаков решил оставить Южную сторону. Вечером 27 августа русские войска по заранее наведенному мосту начали организованно переходить на Северную сторону; противник не мешал переходу. 28–30 августа на рейде были затоплены шесть линейных кораблей, девять фрегатов, корветов и бригов и пароходо-фрегаты. Русские войска закрепились на Северной стороне города. Все укрепления Южной стороны были взорваны.