Огонь французов стал ослабевать и вскоре прекратился совсем — они потерпели поражение. Все 49 орудий противника были установлены в одном пункте, откуда велся огонь по разным направлениям, в то время как перекрестный огонь русских батарей из 64 стволов был сосредоточен на одной возвышенности; при этом калибр орудий был примерно одинаков с обеих сторон.
Около полудня на внешнем рейде появились корабли противника. Из-за полного штиля парусные суда буксировали к стоянкам у буйков пароходы. По прибрежным батареям и городу открыли огонь 14 французских, 11 английских и 2 турецких судна; огонь вели из 1244 орудий, расположенных на одном борту. Им отвечали 152 орудия с приморских батарей, находившихся в пределах дальности выстрелов; из них только 47 орудий были укрыты в каменных казематах, а остальные стояли открыто и стреляли через банк. Особенно сильный огонь со стороны рейда был открыт по Константиновской и десятой батареям. Английские корабли, заняв позиции на фланге и в тылу Константиновского укрепления, обрушили на него выстрелы из 169 пушек и мортир. Им могли противодействовать только два орудия с Константиновской и 13 орудий с десятой батареи, которые находились на большом удалении и не могли стрелять достаточно метко. В результате из 27 орудий, установленных на открытой платформе, 22 были подбиты, а артиллерийская прислуга потеряла 55 человек убитыми и ранеными. Поражение наносили не только снаряды, но и осколки камня от парапетов и печных труб. Оставшиеся в живых артиллеристы были вынуждены укрыться в казематах, и открытая орудийная оборона Константиновского укрепления молчала. Англичане пытались разрушить стены и своды батареи, но безуспешно (кроме выбоин и вмятин, никаких повреждений не было). Все орудия, находившиеся в казематах, тоже не имели повреждений и вели огонь в течение всего пятичасового боя, нанося значительный урон неприятелю.
Особенно успешно действовали против английских судов Волоховская башня и Карташевская батарея. Эти хорошо прикрытые небольшие укрепления, имея всего 8 орудий, вели 'дуэль' с кораблями 'Аретуза' и 'Альбион', действовавшими из 140 пушек. На Волоховской башне было ранено 23 человека и подбит один лафет, а Карташевская батарея окончила сражение без всяких потерь. Английские корабли получили столь значительные повреждения, что их отбуксировали на ремонт в Константинополь.
Несмотря на восьмикратное превосходство артиллерии и штилевую погоду, корабли союзников фактически потерпели поражение в битве с береговыми батареями. На судах часто возникали пожары, имелись многочисленные подводные пробоины и повреждения оснастки. Было выведено из строя 520 моряков союзной эскадры, в то время как на приморских батареях потеряли всего 128 человек. При этом корабли противника сделали около 50 тысяч выстрелов, а береговые укрепления только 16 тысяч. Не выполнив поставленных задач по разрушению береговой обороны и усиленной бомбардировке города, суда противника около шести часов вечера снялись с якорей и покинули внешний рейд.
Совсем иначе развивались события на Корабельной стороне. Здесь английские батареи насчитывали 73 ствола, имея значительное преимущество в калибрах против 54 орудий, противостоящих им на русских позициях. Установленные на Зеленой и Воронцовой горах батареи перекрестным огнем разгромили третий бастион. К пятнадцати часам на нем была выведена из строя треть орудий, взорван пороховой погреб, обвалены все амбразуры, погибло более 100 человек гарнизона. Бастион замолчал. Английская армия вела интенсивный огонь и по Малахову кургану. На нем был снесен второй ярус башни с установленными на платформе орудиями и разрушены прилегающие к укреплению батареи. К концу дня англичане подбили 30 русских орудий, потеряв лишь 8. Возникла очень благоприятная для штурма ситуация: англичане могли без особых потерь захватить третий бастион, а затем атаковать с тыла и Малахов курган; им противостояли только 8 тысяч русских солдат и матросов. Однако поражение французов и союзного флота заставили англичан воздержаться от активных действий.
Первый день бомбардировки Севастополя не принес союзникам желаемых результатов. На сухопутной оборонительной линии союзники вывели из строя 44 орудия, которые к утру следующего дня были заменены; им удалось разрушить большое количество брустверов, амбразур и траверс, но и они были восстановлены за ночь. Защитники Севастополя потеряли за этот день 1112, а союзники — 348 человек. Такое неблагоприятное для русских войск соотношение выбывших из строя объясняется рядом причин. В то время как русские войска на случай штурма находились рядом с передовой линией, не имея надежных укрытий, артиллерия союзников возвышалась над русскими позициями и могла обстреливать пространство внутри укреплений. Кроме того, осадные войска находились на безопасном удалении от русских укреплений и ожидали, когда батареи будут подавлены, чтобы начать наступление. Артиллерия союзников за день 5-го октября сделала по оборонительной линии 9 тысяч выстрелов, получив в ответ 20 тысяч. Предстояло подготовить моряков для сражений в новой для них обстановке. Очень скоро они будут стрелять, экономя порох, и превзойдут вражеских артиллеристов в меткости.
Самой большой потерей для защитников Севастополя в этот день стало известие о том, что на Малаховом кургане смертельно ранен вице-адмирал Корнилов. Вместе с вице-адмиралом Нахимовым Корнилов в течение дня объезжал укрепления на оборонительной линии, воодушевляя своим мужеством моряков и пехотинцев. По его указанию принимались оперативные меры по восстановлению разрушенных бастионов, срочно подвозили орудия, станки, боезапасы и материалы. Вице-адмирал Корнилов, сумевший организовать работы и создать оборону города в небывало короткие сроки, до последней минуты оставался ее руководителем и душой. К счастью, в строю остались его главные помощники — П. С. Нахимов и Э. И. Тотлебен, достойно продолжившие начатое адмиралом дело. А бастион на Малаховом кургане получил наименование 'Корниловский'.
Всю ночь по всей линии обороны войсками гарнизона велись восстановительные работы. Особое внимание было обращено на третий бастион, где к вечеру 5 октября из 22 орудий уцелело только два. Вместо выбывшего из строя штабс-капитана Янцина, заведовавшего оборонительными работами на укреплении, назначили поручика Чистякова. На работы выделили 199 саперов из второй роты шестого саперного батальона, команду матросов и 500 человек из Московского пехотного полка. За работами наблюдал начальник инженеров подполковник Тотлебен. Насыпали заново брустверы, делали амбразуры, увеличивали количество траверс, настилали платформы и устанавливали 19 орудий крупного калибра. За ночь на этом бастионе от навесного огня англичан саперы потеряли 7 человек убитыми и 18 ранеными.
На других укреплениях работы продвигались так же успешно. К утру не только успели восстановить все разрушенные конструкции, но и заменили 60 орудий малого калибра на 36-фунтовые пушки. На четвертом бастионе увеличили количество траверс, защищавших от продольного огня, начали их возведение и на пятом. Парапет оборонительной казармы на том же укреплении сделали из мешков с землей, а наружные стены начали обсыпать грунтом.
Утром 6 октября батареи англичан возобновили бомбардировку третьего и четвертого бастионов и Малахова кургана. Но возросшая мощь русской артиллерии на третьем отделении оборонительной линии позволила защитникам успешно вести контрбатарейную борьбу. Англичанам удалось за день подбить лишь несколько орудий.
Французы молчали, но за ночь ими была заложена новая параллельная траншея в 200 саженях от четвертого бастиона. По французским позициям и ведущимся там работам вели прицельный огонь батареи первого и второго отделений, разрушая конструкции и выводя из строя личный состав.
7 октября союзники начали обстрел оборонительной линии с такой же интенсивностью, как и 5 октября. До того как русские орудия заставили замолчать французские батареи, они успели разрушить парапет на оборонительной казарме пятого бастиона. После этого подполковник Тотлебен принял решение больше не устанавливать орудия на казарме. Артиллерия англичан не смогла подавить русские батареи; в течение дня перестрелка продолжалась с переменным успехом.
Бомбардировка русских позиций заставила военных инженеров во многом пересмотреть принятые ранее проектные решения. Шестой бастион, завершенный до начала Крымской войны, имел на вооружении артиллерию, превосходившую по количеству и калибрам французские батареи, действовавшие против этого укрепления с Рудольфовой горы. Однако с первых же дней укрепление почти не участвовало в боях. Дело в том, что там были установлены крепостные орудия на высоких лафетах и поворотных платформах; осколки снарядов в первые же часы выводили из строя лафеты, и орудия замолкали. Приходилось ожидать наступления сумерек, так как для замены лафетов требовалось установить подъемные механизмы, а в светлое время суток такие работы привлекали внимание противника. Иначе обстояло дело с морскими пушками: при повреждении станка пушки опрокидывались на бок и после замены устанавливались в боевое положение при помощи канатов. Вскоре на шестом бастионе все крепостные орудия заменили морскими.
