К 17 октября с момента высадки в Евпатории минул почти месяц. Поскольку союзники отказались от штурма с севера, русские поняли, что их наступления следует ожидать с юга, и стали поспешно укреплять эту часть города. Практически все жители Севастополя — солдаты, матросы и гражданское население — трудились не покладая рук днем и ночью, укрепляя существующие оборонительные сооружения и строя новые. Орудия и боеприпасы переместили с прибрежных позиций на новые места. Если в сентябре гарнизон города насчитывал 16 000 человек (в основном моряки и ополченцы и только один батальон регулярных войск), то к середине октября в Севастополь прибыли двенадцать батальонов с придунайских территорий, а также войска, вернувшиеся после сражения на Альме. Количество пушек на южных позициях увеличилось со 172 до 341, причем многие орудия были крупного калибра.
Наконец армия союзников была готова. Шестнадцатого октября войска получили приказ начать артиллерийский обстрел оборонительных позиций на следующее утро в шесть тридцать. Одновременно должны были заговорить пушки на кораблях. Однако, к всеобщему удивлению, русские перехватили инициативу и открыли огонь по союзникам в пять тридцать. Из-за проблем с общей координацией действий объединенный флот начал обстрел Севастополя на четыре часа позже, да и то впустую: французские суда оказались слишком далеко от цели и скоро прекратили стрельбу, а британские корабли, напротив, стояли чересчур близко к берегу и сами страдали от яростного огня, а потому тоже прекратили стрелять. Однако наземная артиллерия продолжала свое дело весь день, и русские пушки успешно стреляли в ответ. Ближе к полудню русский снаряд попал в крупный пороховой склад. Раздался взрыв чудовищной силы, который не только уничтожил большой запас боеприпасов, но и вообще деморализовал артиллерийскую прислугу до такой степени, что французские пушки замолчали. «Свидетели этой страшной сцены испытали потрясение: огненный смерч в одно мгновение превратил полсотни людей в обугленные трупы или изувеченных беспомощных страдальцев», — писал Кинглейк. Французская артиллерия не возобновляла стрельбу до конца дня, огонь вели только британцы. К ночи эта кровавая дуэль завершилась — ни одна из сторон не получила преимущества. Так началась осада Севастополя.
На самом деле было бы правильнее считать 17 октября лишь преамбулой к дальнейшим событиям, поскольку на следующей неделе наступило затишье. За это время русский генерал Павел Липранди собрал в один кулак 25 пехотных батальонов, 34 эскадрона кавалерии и 78 пушек (всего 23 000 человек), и 25 октября в пять утра эта армия вошла в долины к северу от Балаклавы, где ее встретила двадцатитысячная армия союзников.
Битва развернулась в двух долинах, разделенных идущей с востока на запад дамбой, по которой проходила Воронцовская дорога, соединяющая Севастополь с материковой Россией, — именно по ней город снабжался всем необходимым. Северная и Южная долины, каждая примерно в два километра длиной, на западе упирались в крутую Сапун-гору, а с востока ограничивались высотой, которая получила название «холм Канробера». Вдоль северной и южной сторон Воронцовской дороги союзники воздвигли несколько редутов, на которых находились в основном турки и британская орудийная прислуга. Кавалерия союзников расположилась на южной стороне дороги. У подножья Сапун-горы стояли турецкие батальоны, а на ее вершине — войска генерала Боске.
Первоначальный успех сопутствовал русским. Они быстро захватили холм Канробера и находящиеся к северу от него стратегически важные высоты — Федюхины горы.
При этом наибольшие потери — 170 убитых из 500 — понесли турки. Уцелевшие турецкие солдаты в панике бросились бежать к Балаклаве с криками «Корабль! Корабль!». Бегство некоторых из этих несчастных было остановлено разъяренной женой сержанта шотландского Хайлендского полка, вооруженной увесистой палкой. Возмущенная очевидной трусостью турок, она действовала с похвальной энергией. Очевидец этой сцены из 2-го батальона герцога Кембриджского рассказал о ней Кинглейку: «Эта добрая христианка вовсю охаживала правоверных по спинам. Похоже, она думала, что эти турки не только повинны в бегстве с поля боя, но и хотят ограбить ее лагерь, так что ее удары были не просто выражением презрения к трусам, но и реальным и довольно жестоким наказанием. Одного дородного и на вид сильного турка она держала и лупила довольно долго». Таков был боевой дух «лагерных дам».
Кроме холма Канробера и Федюхиных гор русские захватили три из шести редутов. Утвердившись на взятых высотах, пехота Липранди начала медленное наступление на англо-турецкие позиции. В ответ лорд Лукан выдвинул Бригаду тяжелой кавалерии, чтобы встретить наступающих русских, а точнее — чтобы создать угрозу этой пехоте. Однако на русских эта угроза не произвела впечатления, и они продолжали движение вперед. Тогда Лукан повернул влево к Воронцовской дороге, чтобы помочь шотландским стрелкам сэра Колина Кемпбелла, занимавшим позицию у западного конца дамбы.