Черная речка стала для русских поворотным пунктом во всей кампании. Это была последняя отчаянная попытка с помощью наступательной операции вне Севастополя заставить противника снять осаду. Атака двумя колоннами против пехоты, вооруженной винтовками Минье, обернулась неудачей. Русские получили горький урок, и, когда на следующий же день после побоища на Черной речке союзники начали очередную бомбардировку города, Горчаков приказал начать строительство моста через залив, чтобы соединить Южную сторону с Северной. Положение было настолько опасным, что эвакуация Севастополя становилась неизбежной.
Через две недели после битвы на Черной речке произошло последнее крупное сражение. Союзникам стало ясно, что для успешного штурма необходимо сначала овладеть плацдармом перед южной оконечностью города, а это, в свою очередь, требовало захвата Малахова кургана, Малого редана и Большого редана. Когда-то на вершине Малахова кургана стояла заметная издалека каменная башня, но сейчас ее почти не было видно за возведенными в последнее время земляными укреплениями. Весь холм был превращен в огромное фортификационное сооружение с расположенной полукругом батареей и траншеями, которые связывали его с реданами и другими фланговыми укреплениями.
Восьмого сентября союзники начали наступление. В соответствии с общим планом двумя днями ранее началась новая бомбардировка города, в которой приняли участие 592 французских и 183 английских пушек. Горчаков чувствовал, что развязка близка и севастопольская трагедия близится к завершению. В разгар бомбардировки он написал императору:
Адский огонь, значительная часть которого — огонь ответный, с определенностью указывает, что противник намерен уничтожить нашу артиллерию и идти на штурм. Восстанавливать укрепления невозможно, лучшее, что можно предпринять, это постараться сохранить пороховые склады и укрытия. Обломки брустверов заполняют рвы, и амбразуры остаются открытыми. Потери среди орудийной прислуги очень велики и вряд ли восполнимы.
По плану французы должны были атаковать Малахов курган и Малый редан, а британцы — Большой редан, который ранее уже безуспешно штурмовали. Далеко не равномерное распределение ответственности, если учесть, что с французской стороны в операции участвовало 25 000 человек при поддержке 5000 сардинцев, а с британской — 3000, причем половина этого количества оставалась в резерве. Однако малая численность была не единственной слабостью англичан: им не удалось заблаговременно подготовить достаточную систему траншей, ведущих к редану, а потому атакующим приходилось бегом преодолевать около 200 метров открытого пространства. В то же время французские траншеи позволяли участникам штурма под прикрытием подобраться к самому основанию Малахова кургана. Один историк отмечал: «По всей вероятности, неудачу этой атаки вызвало в том числе и непреодолимое отвращение британских солдат к работе лопатой».
Штурм был назначен на полдень. Такое отклонение от обычной практики, когда начало операций назначают на рассветные часы, было намеренным — обычно в это время русские обедают и меняют дозорных. Атака французов стала полной неожиданностью. Русские настолько растерялись, что к тому времени, когда они осознали происходящее, первые ряды зуавов уже взобрались на бруствер, а через десять минут после начала штурма над башней Малахова кургана развевалось французское знамя. Однако левый фланг французов встретил упорное сопротивление Малого редана. Русские пошли в контратаку, и яростный рукопашный бой длился почти шесть часов.
Поднятый над Малаховым курганом французский флаг послужил сигналом для начала британской атаки. Их наступление встретило яростное сопротивление русских, и «красная линия» разбилась о стойкость защитников Большого редана. Генерал Симпсон был вынужден отступить. Для англичан это был печальный день. «Теперь Большой редан возьмут французы, и мы хлебнем в избытке их злорадства. Недовольства и взаимных упреков нам не избежать, — писал Кларендон. — Мы производили скверное впечатление последнее время, и, думаю, так будет и впредь до тех пор, пока во главе наших войск стоит эта достойнейшая старая дама Симпсон. Сегодня я получил письмо из штаба от Стратфорда. Он сообщает, что армия в крайней нужде и что мы подготовились к зиме еще хуже, чем год назад, в то время как французы имеют всего в избытке».