此时的俄国浑然不知可能发生的巨大灾难，根据以往对土战争的经验，俄国认为如果不能在谈判桌上得到，那么就诉诸战争， 1853年，亚历山大·谢尔盖耶维奇·缅希科夫亲王作为俄国全权特使被派往君士坦丁堡。就在这时，巴尔干土耳其领地门的内哥罗发生革命，土耳其军队开进门的内哥罗镇压。缅希科夫在君士坦丁堡获得了重大胜利，苏丹答应在圣地保护权上做出一切必要让步。然而，缅希科夫得到沙皇的指示又提出新的要求，要求苏丹答应签定一项新条约，土耳其应该从门的内哥罗撤军。这不啻于将巴尔干拱手让与沙皇，苏丹阿卜杜勒·迈吉德一世无法答应这个这个苛刻的要求，另外一个重要原因是，英国驻土耳其大使雷德克利夫勋爵鼓励苏丹拒绝俄国的漫天要价，和以往一样，英国许诺将在危机中支持土耳其。这次不同的是，还有法国的支持。
5月22日，缅希科夫亲王离开君士坦丁堡。31日，俄国对土耳其最后通牒。发表宣言说要保护在土耳其的东正教会，并且俄国为监督土耳其将依据《亚德里亚堡条约》进占多瑙河两公国瓦拉几亚和摩尔达维亚。为了给苏丹打气同时警告俄国，6月13日英法联合舰队驶入贝西加湾，这非但未能震慑俄国，反而深深刺激了俄国。7月2日，俄军越过普鲁特河，占领了瓦拉几亚和摩尔达维亚。10月5日，土耳其对俄国宣战，战争爆发。从战争开始，战争就显示出浓厚的政治意义，这将持续到战争结束。
4月5日，英国陆军在加拉波利登陆。随后联军的作战计划在这里诞生。由6万英法陆军在海军的配合下在克里米亚半岛登陆，6星期内拿下俄国海军基地塞瓦斯波托尔要塞。这个目标很有限，目的是消灭俄国的黑海舰队，结束俄国在黑海的优势。这符合英国的愿望，对法国而言，开战本身就达到了目的。随着更多的部队到达，联军开始向君士坦丁堡进发。当地的酒和女人非常便宜，梅毒在联军士兵当中非常普遍。当地的卫生条件非常糟糕，英国的后勤也同样糟糕。自拿破仑战争以来，英军的后勤训练被荒废了。大多数军官都没有经历过战争，哪怕是低强度殖民地冲突。法军情况要好的多。拿破仑被打败了，但法国并没有失败。法军陆军仍是欧洲装备最好、组织最完善的军队，很多军官拥有作战经，后勤系统也很有效。武器装备方面，英法的优势来源于新式线膛步枪——米尼步枪。线膛步枪相对于滑膛枪最大的优势在于射程和精度。滑膛枪的有效射程只有150码（一码约合0.914米），并且精度很低。而线膛步枪有效射程也达到500码。法军在1840年代后期率先装备了米尼步枪，这使得它在同时期列强陆军中拥有巨大的技术和战术优势。新步枪带来新战术。拿破仑时代的散兵线队形可以进一步拉大，避免被对手火力密集杀伤。而对手的密集队形将在更远的距离上遭到精确火力射击。此外炮兵的角色发生重大变化，因为野战火炮的典型射程大多数在1000——1500码，有的轻型火炮甚至只有600——800码，相对于步枪射程优势变小。炮兵的作用变的类似后来的机枪，作为步兵的火力倍增器。尽管高层反映迟钝和对线膛步枪的不信任，英军还是在1851年装备了1851式米尼步枪，这构成克尼米亚战争中英国陆军的主战单兵武器，并发挥了巨大的作用。
英军陆军的参战部队包括4个步兵师，1个轻装步兵师和1个骑兵师。整个师在6000人左右。法国陆军的参战部队是4个步兵师和2个骑兵旅。编制情况和英军差不多。根据当时的炮兵技术水平，法军的做法更适应实战需要。骑兵在法军中的地位比起拿破仑时代大大下降，新式米尼步枪使得骑兵突击力下降，因此法军很少使用大骑兵军团。英军指挥官是拉格伦男爵。一个平易近人的贵族。 法军司令是阿尔芒·雅克·勒鲁瓦·德·圣阿尔诺元帅。法国大革命造就的新一代法国军人。
4月20日，俄国遭到开战以来的最大打击，普奥两国宣布保持中立，并秘密结为防御同盟。中立的理由显而易见，但沙皇看不到这一点。神圣同盟在最关键的时候失灵，使他感到沮丧和愤怒。仿佛为了给沙皇伤口再撒一把盐，英法舰队于4月22日炮击奥德萨，表明英法实实在在准备跟俄国打一仗。6月3日，奥地利完成部署，在匈牙利与瓦拉几亚和摩尔达维亚的边境陈兵8万，并向俄国发出最后通牒，要求俄国立即从两公国撤军。6月14日，奥地利又同土耳其签订条约，土耳其同意奥地利占领两公国直到战争结束。奥地利的轻率和贪婪将1815年以来的俄奥友谊彻底葬送，从此两国关系再也没有好过。沙皇此时感到可耻的背叛，他终于明白自己落入一个可怕的陷阱。战争和他当初的预想完全两样，敌人越来越多，而朋友加兄弟的奥皇弗兰茨·约瑟夫一世的背叛，使他对战争开始失去信心，但战争还要打下去。奥地利皇帝此时正忙于迎娶来自巴伐利亚的茜茜公主，可谓一个天堂一个地狱。尼古拉严令俄军取得一场胜利来稳定局势。6月22日，俄军统帅米哈伊尔·德米特里耶维奇·戈尔恰科夫亲王亲自指挥对斯里查要塞的围攻。
俄军倾全力苦战一天，米哈依尔·戈尔恰科夫本人也在战斗中负伤，还是没有拿下斯里查要塞。俄军士气空前低落，第二天向北方撤退，斯里查要塞解围。土耳其军队乘胜追击，7月7日，在古杰沃，俄军再次被击败。疲惫的俄军开始全面撤退，先是布加勒斯特，到7月28日，俄军完全撤出瓦拉几亚和摩尔达维亚。至此，俄军已经撤退到一年前的出发点。战争从政治上讲已经没有理由继续。8月8日，维也纳方面提出四点建议来结束战争。
俄国认为接受这一建议意味着失去自1829年以来得到的全部利益，沙皇无法接受，他决心继续打下去，求得一个体面的和平。英法也不想俄国此时求和。在英国看来，要结束俄国在黑海的优势的最好办法是将俄国黑海舰队消灭掉。维多利亚女王力主继续战争，她催促驻扎在瓦纳的联军尽快行动。拿破仑三世认为他的主要目的已经达到，俄奥翻脸了。但是他想继续维持苦心经营的英法合作，他也批准了联军继续行动。于是战争不但没有停，而且还要扩大。
克里米亚战争是世界史中的第一次现代化战争。现在大多数人已经将这场战争遗忘了，但它从军事上和从政治上改变了欧洲列强之间的地位和关系。在19世纪的欧洲历史中，它与随后的巴黎条约是继1815年的维也纳会议后的第二大重要外交事件。克里米亚战争是近代科技战争的开端，是兵力兵器、军事学术发展史上一个重要的阶段，它对火炮枪械和水雷武器的进一步发展起了推动作用。许多新的战争手段登上历史舞台，技术成为决定战争胜负的重要因素。而在此之前，人力被认为是决定因素。新式线膛步枪、蒸汽动力战舰、铁路、无线电通讯等科技发明在战争中扮演了重要角色。英法首脑和军事部门利用无线电从千里之外指挥战争，这是历史上的第一次。无线电也使得大众传媒可以实时传递战况，战争距离大众不再遥远，民意对战争进程产生深远的影响。军事后勤体系发展为一个独立部门，工程保障、战地医疗、后勤运输能力得到极大提高。法军统一对表校正时间进攻马拉科夫要塞是指挥艺术的重大发明。各军事强国在这次战争后都加速淘汰旧装备，摒弃滑膛式武器及木制帆力战舰，进行新技术军备竞赛，企图以不对称的技术优势击败对手。而在这之前，除了海军，没有国家特别在意陆地上的技术优势。各国对战争理解角度不同，结论也不同。英国认为蒸汽动力战舰具有巨大优势，为扞卫海上霸权，英国一直走在海军军备革新的前沿。法国认为新式步枪最具战斗效能，因此大力研究新式步枪。到了1870年普法战争，法军相对于普军仍然装备有更好的后装填步枪，因此法军在普法战争中的伤亡低于普军。普鲁士看重的是铁路在战争中的巨大作用，普鲁士发展铁路的同时就规划了高效率的战时使用方案。奥地利注意到大炮在战争中作用降低，因此加强了火炮的改进。1866年的普奥战争中，奥地利拥有更好的火炮。普鲁士在普奥战争中注意到这一点，到了1870年，普鲁士用优良的大炮逼迫拿破仑三世投降。俄国的技术力量比较薄弱，军队基数庞大，因此在新军备竞赛中是最落后的，但俄国在陆战兵器的发展上也取得不小的进步，总体看和其他列强差距不大。相比于军事技术的进步，军事战术却停滞不前，甚至低于拿破仑战争时的水平。在克里米亚战争中，没有军事家能够适应这种技术进步，有些人甚至表现拙劣。这也是军事史上一直存在的问题，战术总是落后于技术，两次大战的惨痛悲剧都和这个问题有关联，特别是一次大战。可不可以这么看，从哲学上讲，客观实在决定主观意识，而技术是客观的，战术属于主观的东西。因此战术落后于技术是必然的。