Систематическое укрепление Севастополя началось собственно с 1834 г., по проекту усиления обороны Севастопольского рейда и укрепления южной стороны с сухого пути, составленному Инженерным департаментом. В 1837 г. оборонительную линию с сухопутной стороны предположено было расширить. Однако так как наиболее важным считалось обеспечение Севастополя с моря, то первоначально все средства, отпускавшиеся для отстройки крепости, обращались на устройство приморских укреплений, которые к 1854 г. и находились в оконченном виде; с сухопутной же стороны Севастополь вовсе не был обеспечен. Сухопутные укрепления Севастополя были возведены лишь перед самой осадой. По проекту имелось в виду расположить на южной стороне
8 бастионов и соединить их между собой длинными ломаными куртинами, состоящими из каменных оборонительных стенок, а горжи - сомкнуть такими же стенками, усиленными большими оборонительными казармами. Но так как атака с сухого пути считалась маловероятной, то с этими работами не торопились, и ко времени высадки союзников в Крыму на городской, западной стороне были только готовы 3 оборонительных казармы, начаты 3 бастиона, доведенные лишь до ничтожной профили. На корабельной стороне бастионы были заменены тремя батареями тоже слабой профили и Малаховой башней - двухэтажной каменной постройкой с ружейной закрытой и пушечной открытой обороной. На городской стороне между бастионами и на корабельной - за батареями были кое-где устроены завалы из сухой каменной кладки. В общем, по выражению летописца, "с сухопутной стороны Севастополя ко дню высадки союзников существовали одни фортификационные намеки, местами же эти намеки не существовали и на планах".
В первых числах августа 1854 г. в Севастополь в распоряжение командующего войсками кн. Меншикова был командирован Тотлебен. Командующий войсками принял его довольно холодно, разрешил остаться на время и официально не поручил ему никакого дела. Но постепенно Меншиков пригляделся к Тотлебену и уже недели через две писал о нем в Петербург, что "это весьма деятельный офицер, с военным взглядом, который ставит его выше обычных кирпичных дел мастеров". Месяц спустя по приезде Тотлебена в Севастополь адмирал Корнилов, назначенный комендантом Севастополя, поручает Тотлебену заведование всеми инженерными работами, и с тех пор Тотлебен делается душой обороны Севастополя. Насколько энергично велись инженерные работы по усилению Севастополя под руководством Тотлебена, показывают слова Корнилова в его письме-журнале от 4 сентября 1854 г.: "в неделю сделали больше, чем прежде делали в год". Создаваемые затем в течение осады временные по размерам, поспешные по возведению, укрепления обратились в конце концов в грозную силу, вынудившую противника к громадным жертвам, и сыграли роль, вполне подобающую настоящей первоклассной крепости, затянув осаду на 11 месяцев.
Не описывая здесь хода осады и обороны Севастополя, остановимся лишь на тех существенных выводах, которые имели влияние в дальнейшем на теорию крепостной борьбы и на развитие военно-инженерного дела в России. Прежде всего надо отметить, что под Севастополем в небывалых до того времени размерах разыгралась артиллерийская борьба крепостной и осадной артиллерии, на основании которой установился для будущего принцип, что залогом быстрой осады является подавление огня крепостной артиллерии и, наоборот, залогом продолжительной обороны - противодействие, оказываемое осадной артиллерии крепостною; поэтому в крепостной борьбе обе стороны прежде всего направляют все свои силы к тому, чтобы к началу артиллерийской борьбы не дать неприятелю перевеса, для чего: скапливают возможно большее количество артиллерийских средств (орудий и снарядов), возводят возможно большее количество батарей и ведут систематический огонь. Этот основной принцип крепостной борьбы, правда, был установлен еще Вобаном, но нигде он в боевой практике не получил такого яркого освещения, как именно под Севастополем. Причиной этому было то обстоятельство, что Севастополь как крепость отличался слабыми преградами, но в то же время имел огромные артиллерийские запасы, поэтому у обороны весь центр тяжести борьбы перешел на артиллерию, чего не бывало в предшествовавших осадах крепостей, где крепостные верки обычно имели сильные долговременные преграды, но зато ограниченное по числу и снабжению вооружение. Однако тот же Севастополь показал, что артиллерийская борьба является в крепостной войне все-таки лишь подготовительным фактором, решающее же значение у каждой из сторон имеет пехота, наносящая главный удар со стороны атаки и отражающая его со стороны обороны.
Затем хотя Севастополь по устройству своей оборонительной линии и не являлся вполне современной для той эпохи крепостью, но он все же подходил к типу новых фортовых крепостей, появившихся в Западной Европе в 30-х годах XIX века, значительно более, чем то имело место в предшествовавших осадах. Оборонительная линия Севастополя имела значительное протяжение (около 7,5 км), состояла из опорных пунктов-бастионов (являвшихся прототипами будущих фортов), соединенных слабыми куртинами. На этих слабых куртинах руководитель обороной Тотлебен развернул главные артиллерийские позиции обороны: это было первым толчком к идее "выноса крепостной артиллерии из фортов на промежутки", идее, которой воспользовались затем и иностранные государства и которая стала основной в обороне крепости.
Из частностей чисто инженерного характера в обороне Севастополя обращают на себя внимание и вошли затем в теорию крепостной борьбы широкое применение так называемых контрапрошных (противоподступных) работ, выразившихся прежде всего в создании выдвинутых вперед укреплений - Селенгинского и Волынского редутов и Камчатского люнетов, бравших во фланг осадные работы противника и заставлявших его вести против них предварительные осадные работы; затем своевременное развитие обороной мощной контрминной системы, приведшей к 7-месячной грандиозной минной войне, приемы которой были регламентированы и введены не только в русское, но и в иностранные наставления по специальному образованию инженерных войск.