Против 82-тыс. армии генерала М. Д. Горчакова на Дунае Турция выдвинула почти 150-тыс. армию Омер-паши, но атаки турецких войск у Четати [25 декабря (6 января 1854)], Журжи [22 января (3 февраля)] и Кэлэраша [20 февраля (4 марта)] были отбиты. Русская артиллерия уничтожила турецкую Дунайскую флотилию. В Закавказье турецкой армии Абди-паши (около 100 тыс. человек) противостояли слабые гарнизоны Ахалциха, Ахалкалаки, Александрополя и Эривани (около 5 тыс.), т. к. главные силы русских войск были заняты борьбой с горцами (см. Кавказская война 1817—64). Из Крыма была спешно переброшена по морю пехотная дивизия (16 тыс.) и сформировано 10-тыс. армяно-грузинское ополчение, что позволило сосредоточить 30 тыс. войск под командованием генерала В. О. Бебутова. Главные силы турок (около 40 тыс.) двинулись на Александрополь, а их Ардаганский отряд (18 тыс.) пытался через Боржомское ущелье прорваться к Тифлису, но был отражён, а 14(26) ноября разбит под Ахалцихом 7-тыс. отрядом генерала И. М. Андронникова. 19 ноября (1 декабря) войска Бебутова (10 тыс.) разгромили главные турецкие силы (36 тыс.) при Башкадыкларе.
Русский Черноморский флот блокировал турецкие корабли в портах. 18(30) ноября эскадра под командованием вице-адмирала П. С. Нахимова в Синопском сражении 1853 уничтожила турецкий Черноморский флот. Поражения Турции ускорили вступление в войну Великобритании и Франции. 23 декабря 1853 (4 января 1854) англо-французский флот вошёл в Чёрное море. 9(21) февраля Россия объявила войну Великобритании и Франции. 11(23) марта 1854 русские войска форсировали Дунай у Браилова, Галаца и Измаила и сосредоточились в Северной Добрудже. 10(22) апреля англо-французская эскадра бомбардировала Одессу. В июне — июле англо-французские войска высадились в Варне, а превосходящие силы англо-франко-турецкого флота (34 линейных корабля и 55 фрегатов, в том числе большинство паровых) блокировали русский флот (14 линейных парусных кораблей, 6 фрегатов и 6 пароходо-фрегатов) в Севастополе. Россия значительно уступала западноевропейским странам в области военной техники. Её флот состоял в основном из устаревших парусных кораблей, армия была вооружена главным образом кремнёвыми гладкоствольными ружьями с небольшой дальностью стрельбы, в то время как союзники имели на вооружении винтовки. Угроза вмешательства в войну на стороне антирусской коалиции Австрии, Пруссии и Швеции заставляла Россию держать на западных границах главные силы армии.
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-Дара турецкая 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.