Во время Венгерской кампании 1849 г. Горчаков был начальником штаба действующей армии. Он участвовал в бою под Вайценом и распоряжался устройством форсированной переправы при Фюреде через реку Тиссу 14 июля 1849 г.
В 1853 г., с началом Крымской войны 1853–1856 гг., Горчакову было поручено командование 3, 4 и 5-м корпусами, действовавшими на Дунае и на побережье Черного моря. Осознавая всю опасность, которой в скором времени подвергся Севастополь, Горчаков по собственной инициативе отправил туда вначале состоявшего при нем подполковника Э.И. Тотлебена, а затем и часть своих сил (1-ю бригаду 14-й пехотной дивизии и всю 16-ю пехотную дивизию). Он стремился любыми путями помогать Крымской армии, снабжая ее не только боевыми, но и продовольственными запасами.
Хотя Паскевич, возглавлявший Дунайскую армию, и был недоволен действиями Горчакова, называя его даже изменником, вступивший на престол император Александр 11 одобрил их. В своем рескрипте от 24 февраля 1855 г. при назначении Горчакова главнокомандующим Крымской армией на смену князя Меншикова император писал: «Севастополь несомненно вам обязан, что доселе в состоянии держаться против всех усилий союзников. Если бы не ваше благородное самоотвержение, с которым вы жаловали Крымскую армию и войсками и всеми военными потребностями, может быть, он был уже в руках неприятеля».
Горчаков прибыл в Севастополь 8 марта с полной уверенностью, что не далее чем через полтора месяца ему удастся выгнать союзников из Крыма. Однако ему пришлось скоро убедиться, что рано или поздно Севастополь придется оставить. Поэтому одним из первых ею распоряжений было устроить южный мост через Северную бухту.
Войска ожидали от Горчакова очень многого, прежде всего, наведения порядка в управлении армией и начала решительных действий. Однако Горчакову немногого удалось достигнуть. Энергичный, заботливый о войсках администратор, он оказался нерешительным военачальником, склонным к военным советам и влияниям отдельных лиц штаба.
Гак, он не решился исправить ошибку предыдущего командующего и своего брата — командира 6-го армейского корпуса князя П.Д. Горчакова, состоявшую в отводе им войск с левого берега реки Черной. Эта ошибка привела к поражению русских войск при наступлении со стороны этой реки. Сам Горчаков, принявший участие в этом сражении, проявил личную храбрость — он все время находился под сильным артиллерийским огнем неприятеля.
После неудачи на реке Черной Горчаков уже перестал думать о наступлении и сосредоточил все свое внимание на обороне города. 6 июня ему удалось отразить штурм Севастополя войсками союзников, последующий штурм 27 августа решил судьбу осажденного юрода и Горчаков приказал отвести войска на северную сторону Севастополя.
В конце 1855 г. Горчаков был заменен в Крыму генерал-адъютантом А.И. Лидерсом, а в январе 1856 г. после смерти фельдмаршала князя И.Ф. Паскевича был назначен наместником в Польше и главнокомандующим вновь сформированной там 1-й армии.
После смерти Горчакова в 1861 г. его тело было погребено в Севастополе на Братском кладбище.
Одновременно с продвижением своих позиций к Городской стороне союзники усилили боевые действия там, где Пелисье рассчитывал переломить ход осады — в районе Малахова кургана и русских передовых укреплений за Килен-балкой. Селенгинский и Волынский редуты и Камчатский люнет подвергались безостановочному обстрелу. Участник обороны Севастополя вспоминал: «Пальба гремела со всех сторон, дым поднимался над дымом, ядра часто так близко пролетали, что слышен был их неприятный визг; бомбы и гранаты нередко врывались в соседние хижины, доканчивая их разрушение. Вдали пальба стала такой учащенной, что по временам сливалась в один какой-то страшный гул и гром Послышался крик “ура”. Мы вскочили и взбежали выше на холм, с биением сердца думая быть свидетелями штурма; но нам, новичкам, объяснили, что часто “ура” бывает выражением какого-нибудь удачного выстрела или ответом на неприятельское “ура” и т.п. и что “ура” штурмовое не такое, а продолжительное и громкое».
Одновременно усилилась и ружейная стрельба. Только с 10 по 28 мая на русской оборонительной линии было собрано 1900 пудов свинца в пулях, т.е. от 800 ружейных выстрелов, сделанных за эти дни. Свидетель писал, что «едва ли подобрана третья и пятая доля того, что было направлено в город».
25 мая (6 июня) началась очередная, 3-я бомбардировка Севастополя и всех его укреплений. При примерном равенстве числа орудий союзники решительно превосходили севастопольцев по их мощности и числу зарядов. Каждое орудие Севастополя располагало 80–140 зарядами, у осаждавших на каждое орудие было 500–600 зарядов.
Вскоре выяснилось, что основной огонь противник обрушил на Волынский и Селенгинский редуты и Камчатский люнет, сосредоточив против него 48 орудий крупного калибра. Выстрелы врага достигали и Малахова кургана. К вечеру большая часть русских орудий на укреплениях за Килен-балкой была повреждена, прислуга перебита, и отвечать на выстрелы союзников было уже некому.
В то же время в этих укреплениях оказалось очень мало защитников. Накануне бомбардировки генерал Л.П. Жабокрицкий отдал приказ о выводе части сил с передовых укреплений. На Волынском и Селенгинском редутах осталось по 250 солдат, на Камчатском люнете — 350, а в непосредственной близости от него не более тысячи солдат и саперов.
После обстрелов в Камчатском люнете оставалось лишь 600 человек. Силы французов, направленных для овладения этим укреплением, равнялись 35 тысячам человек (21 батальон, среди которых два были из императорской гвардии Наполеона III). Всего против русских укреплений за Киленбалкой двинулось четыре французских и одна турецкая дивизии. Причем Пелисье удалось добиться скрытности сосредоточения сил.
Однако защитники передовых укреплений оказали такое сопротивление, которого не ожидали даже видавшие виды неприятельские солдаты и офицеры. Едва узнав вечером 26 мая о начале штурма, П.С. Нахимов прибыл на Камчатский люнет и, поднявшись на вышку, увидел, что французы атакуют с трех сторон. Штурмующие колонны были встречены «ураганом картечи». На позициях разгорелись яростные рукопашные схватки, в которых на одного русского приходилось по 10–15 вражеских солдат. Контратаку возглавил сам Нахимов. Однако внезапность нападения, тщательная подготовка и огромный перевес в силах дали противнику возможность ворваться в укрепления.
Когда новые французские батальоны обошли Камчатский люнет с тыла, его защитники оказались под угрозой окружения. Оставшиеся в живых матросы и солдаты, прикрывая Нахимова, штыками проложили себе дорогу к Малахову кургану. В это же время стало известно, что противник овладел и другими передовыми пунктами Малахова кургана — Селенгинским и Волынским редутами и, установив там орудия, начал обстрел Малахова кургана с ближней дистанции.
Ободренный захватом трех передовых русских укреплений у Килен-балки, французский главнокомандующий генерал Пелисье решил развивать достигнутый успех. Вражеские дивизии пошли на штурм Малахова кургана. Наступил опасный момент сражения, от которого зависела судьба Севастополя.
Под руководством адмирала Нахимова защитники Малахова кургана встретили атакующих мощным артиллерийским огнем. Картечь непрерывно била по наступающим французам, преграждала им путь к кургану. В бой вступили пушки кораблей Черноморского флота. Мощный огонь с укреплений и с Севастопольского рейда остановил штурмующие войска. Тут к защитникам кургана подошли резервы во главе с Хрулевым. Русские перешли в контратаку.
Севастопольцы овладели Камчатским люнетом, нанесли большой урон противнику, захватили более 300 пленных.
В ходе контратаки Нахимов вновь прибыл на люнет и убедился в невозможности удержать полностью разрушенные укрепления. Подошедшие две французские дивизии опять оттеснили русских из люнета
Таким образом, в результате штурма 26 мая 1855 г. — первой открытой атаки укреплений Севастополя силами нескольких вражеских дивизий — три передовых укрепления за Килен-балкой остались в руках противника Малахов курган задержал дальнейшее продвижение неприятельских войск. В бою за Камчатский люнет Нахимов получил контузию «…Не конфетками, не яблочками перебрасываемся, — говорил Нахимов. — Вот меня сегодня самого чуть не убило осколком, — спины не могу разогнуть, да это ничего еще, слава Богу, не слег».
На следующий день Нахимов собрал военный совет, на котором поставил вопрос: постараться ли отбить у французов Камчатский люнет, Волынский и Селенгинский редуты или оставить их у неприятеля. Большинство высказалось за окончательное их оставление, поскольку понимало неизбежность нового штурма противником Севастополя. Тратить силы на сомнительные попытки отобрать уже разрушенные укрепления не было необходимости.
