На Дунае русские войска 5(17) мая осадили крепость Силистрию, но ввиду враждебной позиции Австрии 9(21) июня главнокомандующий русской армией фельдмаршал И. Ф. Паскевич отдал приказ об отходе за Дунай. В начале июля 3 французские дивизии двинулись из Варны для охвата русских войск, но эпидемия холеры заставила их вернуться обратно. К сентябрю 1854 русские войска отошли за р. Прут, и княжества были оккупированы австрийскими войсками.
На Балтийском море англо-французские эскадры вице-адмирала Ч. Нейпира и вице-адмирала А. Ф. Парсеваля-Дешена (11 винтовых и 15 парусных линейных кораблей, 32 пароходо-фрегата и 7 парусных фрегатов) блокировали русский Балтийский флот (26 парусных линейных кораблей, 9 пароходо-фрегатов и 9 парусных фрегатов) в Кронштадте и Свеаборге. Не решившись атаковать эти базы из-за русских минных заграждений, впервые примененных в боевых действиях, союзники начали блокаду побережья и бомбардировали ряд населённых пунктов в Финляндии. 26 июля (7 августа) 1854 11-тыс. англо-французский десант высадился на Аландских островах и осадил Бомарзунд, который после разрушения укреплений сдался. Попытки др. десантов (в Экенесе, Ганге, Гамлакарлебю и Або) окончились неудачей. Осенью 1854 союзные эскадры покинули Балтийское море. На Белом море английские корабли в 1854 бомбардировали Колу и Соловецкий монастырь, но попытка нападения на Архангельск провалилась. Гарнизон Петропавловска-на-Камчатке под командованием генерал-майора В. С. Завойко 18—24 августа (30 августа — 5 сентября) 1854 отразил нападение англо-французской эскадры, разбив высаженный ею десант (см. Петропавловская оборона 1854).
В Закавказье турецкая армия под командованием Мустафы-Зариф-паши была усилена до 120 тыс. человек и в мае 1854 перешла в наступление против 40-тыс. русского корпуса Бебутова. 4(16) июня 34-тыс. Батумский турецкий отряд был разгромлен в бою на р. Чорох 13-тыс. отрядом Андронникова, а 17(29) июля русские войска (3,5 тыс.) во встречном бою на Чингильском перевале разбили 20-тыс. Баязетский отряд и 19(31) июля заняли Баязет. Главные силы Бебутова (18 тыс.) были задержаны вторжением в Восточную Грузию отрядов Шамиля и перешли в наступление только в июле. Одновременно на Александрополь двинулись главные турецкие силы (60 тыс.). 24 июля (5 августа) при Кюрюк-Даратурецкая армия была разгромлена и перестала существовать как активная боевая сила.
2(14) сентября 1854 союзный флот начал высадку под Евпаторией 62-тыс. англо-франко-турецкой армии. Русские войска в Крыму под командованием Меншикова (33,6 тыс.) потерпели поражение на р. Альма и отошли к Севастополю, а затем к Бахчисараю, бросив Севастополь на произвол судьбы. Одновременно командовавшие союзной армией маршал А. Сент-Арно и генерал Ф. Дж. Раглан, не решившись атаковать Северную сторону Севастополя, предприняли обходный маневр и, разминувшись на марше с войсками Меншикова, подошли к Севастополю с Ю. 18 тыс. моряков и солдат во главе с вице-адмиралом В. А. Корниловым и П. С. Нахимовым заняли оборону, развернув при помощи населения строительство укреплений. Для защиты подступов с моря у входа в Севастопольскую бухту было затоплено несколько старых кораблей, команды и орудия с которых были направлены на укрепления. Началась 349-дневная героическая Севастопольская оборона 1854—55.
Первая бомбардировка Севастополя 5(17) октября не достигла цели, что вынудило Раглана и генерала Ф. Канробера (заменившего умершего Сент-Арно) отложить штурм. Меншиков, получив подкрепления, пытался в октябре атаковать противника с тыла, но в Балаклавском бою 1854 успех не был развит, а в Инкерманском сражении 1854 русские войска потерпели поражение.
В 1854 в Вене при посредничестве Австрии велись дипломатические переговоры между воюющими сторонами. Великобритания и Франция в качестве условий мира потребовали запрета для России держать военный флот на Чёрном море, отказа России от протектората над Молдавией и Валахией и от притязаний на покровительство православным подданным султана, а также «свободы плавания» по Дунаю (т. е. лишения России доступа к его устьям). 2(14) декабря Австрия объявила о союзе с Великобританией и Францией. 28 декабря (9 января 1855) открылась конференция послов Великобритании, Франции, Австрии и России, но переговоры не дали результатов и в апреле 1855 были прерваны.
14(26) января 1855 в войну вступила Сардиния, которая направила в Крым 15-тыс. корпус. В Евпатории сосредоточился 35-тыс. турецкий корпус Омер-паши. 5(17) февраля 19-тыс. отряд генерала С. А. Хрулёва пытался овладеть Евпаторией, но штурм был отбит. Меншиков был заменен генералом М. Д. Горчаковым.
28 марта (9 апреля) началась 2-я бомбардировка Севастополя, выявившая подавляющее превосходство союзников в количестве боеприпасов. Но героическое сопротивление защитников Севастополя вынудило союзников вновь отложить штурм. Канробер был заменен генералом Ж. Пелисье, сторонником активных действий. 12(24) мая 16-тыс. французский корпус высадился в Керчи. Корабли союзников опустошили Азовское побережье, но их десанты под Арабатом, Геническом и Таганрогом были отражены. В мае союзники произвели 3-ю бомбардировку Севастополя и вытеснили русские войска из передовых укреплений. 6(18) июня после 4-й бомбардировки был предпринят штурм бастионов Корабельной стороны, но он был отбит. 4(16) августа русские войска атаковали позиции союзников на р. Чёрной, но были отброшены. Пелисье и генерал Симпсон (сменивший умершего Раглана) произвели 5-ю бомбардировку, а 27 августа (8 сентября) после 6-й бомбардировки начали общий штурм Севастополя. После падения Малахова кургана русские войска вечером 27 августа оставили город и переправились на Северную сторону. Оставшиеся корабли были затоплены.
На Балтике в 1855 англо-французский флот под командованием адмирала Р. Дандаса и Ш. Пено ограничился блокадой побережья, бомбардировкой Свеаборга и др. городов. На Чёрном море союзники высадили десант в Новороссийске и заняли Кинбурн. На Тихоокеанском побережье был отражён десант союзников у бухты Де-Кастри.
В Закавказье корпус генерала Н. Н. Муравьева (около 40 тыс.) весной 1855 оттеснил Баязетский и Ардаганский турецкие отряды к Эрзуруму и блокировал 33-тыс. гарнизон Карса. Чтобы спасти Карс, союзники высадили в Сухуме 45-тыс. корпус Омер-паши, но он встретил 23—25 октября (4—6 ноября) на р. Ингури упорное сопротивление русского отряда генерала И. К. Багратиона-Мухранского, который затем остановил противника на р. Цхенисцкали. В турецком тылу развернулось партизанское движение грузинского и абхазского населения. 16(28) ноября гарнизон Карса капитулировал. Омер-паша отошёл к Сухуму, откуда в феврале 1856 эвакуировался в Турцию.
В конце 1855 военные действия фактически прекратились, и в Вене возобновились переговоры. Россия не имела обученных резервов, не хватало вооружения, боеприпасов, продовольствия, финансовых средств, росло антикрепостническое крестьянское движение, усилившееся в связи с массовым набором в ополчение, активизировалась либерально-дворянская оппозиция. Всё более враждебной становилась позиция Швеции, Пруссии и особенно Австрии, которая грозила войной. В этой обстановке царизм был вынужден пойти на уступки. 18(30) марта был подписан Парижский мирный договор 1856, по которому Россия согласилась на нейтрализацию Чёрного моря с запрещением иметь там военный флот и базы, уступала Турции южную часть Бессарабии, обязалась не возводить укреплений на Аландских островах и признавала протекторат великих держав над Молдавией, Валахией и Сербией. К. в. с обеих сторон носила несправедливый, захватнический характер. «Крымская война показала гнилость и бессилие крепостной России» (Ленин В. И., Полн. собр. соч., 5 изд., т. 20, с. 173). Поражение царизма подорвало его международный и внутренний престиж, ускорило назревание революционной ситуации 1859—61 и падение крепостного права в России.