Паровые машины изготовлялись в России по образцу машин линейного корабля "Цесаревич" и фрегата "Олег". На "Севастополе" установили двухлопастный подъемный винт, на "Петропавловске" — обычный для того времени четырехлопастный. "Севастополь" вывели из дока 12 августа 1864 г… а в следующем году он прошел испытания без рангоута (водоизмещение 5910 т). На мерной линии при индикаторной мощности машины, изготовленной на Ижорском заводе, 3380 л.с. фрегат показал скорость 13,95 узла.
В кампании 1865 г. фрегат, вооруженный тридцатью 196-мм гладкоствольными пушками (масса бомбы 17,7 кг, максимальная дальность стрельбы 16 кабельтовых), возглавил в качестве флагманского корабля первый заграничный поход русского броненосного флота и посетил порты Балтийского моря. В соответствии с решением Морского министерства от 7 ноября 1863 г. гладкоствольная артиллерия на "Севастополе" постепенно заменялась на нарезную, и в середине 70-х годов его батарея насчитывала четырнадцать 203-мм нарезных орудий (масса снаряда 79 кг, максимальная дальность стрельбы 25 кабельтовых), два 203-мм орудия установили на поворотных платформах в носу и одно 152-мм — в корме на верхней палубе.
"Петропавловск", спущенный на воду 15 августа 1865 г… в дополнение к двадцати 203-мм орудиям в батарее вооружили двумя поворотными орудиями (203- и 152мм). 1 августа 1867 г. этот фрегат на испытаниях с рангоутом (водоизмещение 6010 т) достиг скорости 11,8 уз при индикаторной мощности машины завода Берда 2805 л.с. В кампанию 1868 г. "Петропавловск" по праву считался сильнейшим кораблем русского флота.
В 70-е годы XIX в. оба фрегата входили в боевое ядро броненосной эскадры Балтийского флота. По инициативе начальника эскадры вице-адмирала Г.И. Бутакова на "Петропавловске" в кампанию 1873 г. установили электрические прожекторы, а в следующем году — первую в русском флоте противоминную (летучую) батарею из десяти 87-мм нарезных пушек, установленных на станках Обуховского завода. Станки на выдававшихся за борт площадках верхней палубы обеспечивали угол обстрела 137°.
Русско-турецкая война 1877–1878 гг. застала "Петропавловск" в Средиземном море, но по политическим мотивам броненосец не мог участвовать в боевых действиях против турецкого флота. "Севастополь" разоружили летом 1877 г. в Кронштадте, однако его экипаж (более 530 человек) принимал участие в операциях морских отрядов на Дунае. Этот фрегат был исключен из списков 11 октября 1886 г., а в мае следующего года продан на слом. "Петропавловск" числился в составе флота до 4 января 1892 г.
Батарейные броненосцы "Севастополь" и "Петропавловск" — представители первого поколения броненосных линейных кораблей. Их несовершенство заключалось в малых углах обстрела, ограниченном калибре бортовых орудий, слабой броневой защите и уязвимости рулевого привода.
Стремление увеличить углы обстрела, при вести их в соответствие с тактикой боя на острых курсовых углах явилось причиной появления в середине 60-х годов XIX в. казематных броненосцев (в русском флоте — "Князь Пожарский").
Одновременно развитие башенных артиллерийских установок открыло новые возможности для увеличения калибра, улучшения защиты орудий и концентрации огня в широком диапазоне курсовых углов, увеличения толщины и рационального размещения броневой защиты. Еще летом 1862 г. контр-адмирал С.С. Лесовский представил в Морское министерство проект переделки "Севастополя" и "Петропавловска" в безрангоутные низкобортные броненосные батареи с тремя башнями. Однако от такой переделки все же отказались.
Совмещение башенной системы установки орудий с фрегатским рангоутом отражал проект двухбашенного фрегата "Минин", который вначале предусматривалось вооружить четырьмя 229-м м, а позднее столькими же 280-мм нарезными орудиями. Сохранился его чертеж, датированный 31 марта 1867 г. и дающий представление об одном из главных путей совершенствования броненосных линейных кораблей в середине 60-х годов XIX в.
Основные преимущества башенного фрегата перед батарейными заключались в возможности сосредоточения на одной цели огня всех четырех тяжелых орудий и их надежной защите. Для удобства обслуживания парусов и шлюпок над верхней палубой по всей длине оборудовался переходный мостик, соединявший носовую и кормовую надстройки.
Развитием идеи рангоутного башенного броненосца следует считать и проект генерал-лейтенанта И. С. Дмитриева, сформулировавшего в апреле 1869 г. основные требования к мореходному броненосному кораблю. По его мнению, такой броненосец должен был иметь достаточную остойчивость, необходимую для действия башенных нарезных орудий самого большого калибра (280–305 мм), полную парусность, удобные помещения для экипажа, запас топлива на пять суток полного хода.
Проект И.С. Дмитриева предусматривал размещение башен в бронированном бруствере, отнесенном от бортов к середине и служившем для защиты жизненно важной центральной части корабля. Однако проект остался только на бумаге. Также не появился на свет и двухбашенный "Минин", достроенный позднее как броненосный крейсер. Гибель 7 сентября 1870 г. английского корабля "Кептен" подорвала доверие к низкобортным башенным рангоутным броненосцам. Кроме того, с 21 мая 1869 г. находился в постройке бруствернобашенный безрангоутный броненосец "Крейсер" (с 1872 г. — "Петр Великий"), проект которого, составленный под руководством контр-адмирала А.А. Попова, оказался наиболее совершенным и перспективным для развития типа броненосного линейного корабля не только в отечественном, но и в иностранных флотах.
Таким образом, развитие типа отечественного броненосного линейного корабля в 60-х годах XIX в. шло по пути увеличения толщины при одновременном уменьшении площади бронирования, перехода от бортового расположения орудий к наиболее рациональному — башенному, которое позволило довести их калибр до 305 мм и обеспечить наибольшие углы обстрела. При этом непрерывно росла мощность паровых машин и наметилась тенденция к полному отказу от парусного вооружения, сохранявшего лишь вспомогательное назначение.
Из отчета по Морскому ведомству за 1860 г
К постройке фрегата (из лесов дубовых, лиственницы, сосны, с частью тика и гондурасского красного дерева) в северном старом доке Петра 1-го приступлено 1-го сентября 1860 г., а вывести фрегат из дока назначено в 1863 г. Контракт на постройку фрегата заключен 3 июня 1860 г., на основании разрешения Адмиралтейств-Совета (журнал от 10-го февраля 1860 г. ст. 21.554).
Согласно с контрактом, подрядчик, Почетный гражданин Кудрявцев, обязался построить фрегат из своих материалов, кроме медного крепления и медных листов и гвоздей для обшивки подводной части, и своими средствами, со всею окончательною отделкою, за 620000 р. сер., по первоначально составленному для фрегата чертежу и спецификации. По чертежу фрегат, при длине до 280 фут., должен был иметь 3324 44/94 строевых тонн; а каждый тонн, по цене, за которую Кудрявцев обязался построить фрегат, обошелся бы в 186 р. 43 коп.
По заключении уже с Кудрявцевым контракта Кораблестроительный Технический Комитет, в исполнение воли государя великого князя генерал- адмирала, составил новый чертеж фрегата, сообразно современным требованиям кораблестроения, по которому длина фрегата увеличилась до 300 ф., а количество строевых тонн — до 3590 42/94.
Независимо от этого, главный командир Кронштадтского порта нашел полезным, чтобы на некоторые предметы по постройке фрегата был употреблен лес более прочный того, который назначен по спецификации, и чтобы все металлические вещи отличались чистотою отделки и были обточены и выстроганы. За эти работы, а также и по условию удлинения фрегата, Кудрявцев первоначально просил прибавить к контрактной цене еще 56785 руб. Размерения фрегата: длина между перпендикулярами 300 ф., ширина с обшивкою 50 ф 4 д., глубина интрюма 19 ф 3 д., углубление в полном грузу: фор-штевня 22 ф 2 д., ахтер-штевня 24 ф 2 д. Водоизмещение 5274,34 т. Строевых тонн 3590 42/94.
На фрегате "Севастополь" разрешено обратить машину, предназначавшуюся на фрегат "Александр Невский", которая изготовляется на Адмиралтейских Ижорских заводах. Вместе с этим распоряжением главный инженер-механик Балтийского флота признал необходимым увеличить шестью топками число топок в котлах означенного механизма. Работы по переделке котлов, как донес начальник Адмиралтейских Ижорских заводов, будет стоить до 24 т. руб. серебром.