Горчаков, однако, подготовил новую атаку. Часть 12-й дивизии и 5-я дивизия спустились в долину, где под их прикрытием отступившие войска перегруппировались, а затем вся 12-я и 5-я дивизии двинулись вперед во вторую атаку. Они перешли реку по мосту и вброд справа и слева от него и энергично бросились на центральные позиции союзников (дивизии д'Эрбийона и Фошё). Но к этому времени французы уже установили всю свою артиллерию; она обстреливала в лоб русские колонны, в то время как сардинская артиллерия вела по ним огонь с фланга. Несмотря на этот убийственный огонь, русские упорно и быстро продвигались вперед и снова достигли высот. Там их встретили французы, которые развернулись в линию несколько позади гребня высоты. Как только передние шеренги колонн показались на самом гребне, французы дали по ним залп и атаковали их в штыки в лоб и с фланга. Схватка была такой же непродолжительной, как и в первый раз. Русские, преследуемые ружейным и артиллерийским огнем союзников, отступили и в беспорядке бросились обратно через реку. Это второе поражение русских фактически решило исход сражения. В атаке участвовало три пятых их пехоты, и они не могли надеяться на прибытие на поле боя свежих подкреплений; у союзников в сражении тоже приняли участие три дивизии из пяти, но на помощь им спешили подкрепления из лагеря под Севастополем. Пелисье вызвал еще две армейские и одну гвардейскую дивизии, и они уже подходили. Было примерно 8 часов утра.
Несмотря на такое неравенство сил, Горчаков решил предпринять еще одну атаку. Теперь должна была выдвинуться 17-я дивизия и образовать ядро той части разбитых войск, которая еще могла быть брошена против врага. Направление атаки было опять перемещено влево; на этот раз русские ударили по дивизии Фошё. Но безрезультатно. Перекрестный огонь французской и сардинской артиллерии нанес им значительные потери еще до того, как они успели дойти до вершины высоты; и снова французские войска рассеяли колонны русских и отбросили их на противоположный берег реки, а пьемонтцы (дивизия Тротти) охватили их с фланга и завершили победу. Оставались нетронутыми только части 4-й и 6-й дивизий, численный состав которых равнялся примерно одной дивизии. Бросать их в наступление было бесполезно. Поражение представлялось несомненным, и русские, выдвинув вперед артиллерию, начали отступление. Собственные позиции русских были настолько сильны, что Пелисье ясно понимал, что атака на них невозможна; поэтому их подвергли лишь артиллерийскому и ружейному обстрелу. По сравнению с союзниками потери русских в этом сражении были огромны. Они потеряли около 5000 убитыми, ранеными и пленными, союзники — лишь около 1500 человек. Причиной этого явилось то, что русские вынуждены были вести все свои атаки под сильнейшим огнем артиллерии союзников, особенно пьемонтцев; шестнадцатифунтовые пушки пьемонтцев трудно перевозить, однако, будучи установленными на позиции, они ведут исключительно эффективный огонь.
В данном случае русские предприняли лишь лобовую атаку. Обход французов слева у Инкермана казался невозможным из-за того, что французские батареи, установленные на отроге хребта напротив Инкермана, господствовали над местностью. Для того чтобы обойти союзников с правого фланга, основные силы русских должны были бы спуститься в Байдарскую долину, где рельеф местности слишком сложен для таких неповоротливых войск. Поэтому русские выбрали лобовую атаку и поступили совершенно правильно, сделав попытку захватить противника врасплох. Внезапность нападения принесла частичный успех, но не была достаточно энергично использована до конца. Когда русские овладели переправами через Черную, им следовало бы бросить вперед все имеющиеся под рукой силы, чтобы закрепить свой успех до того, как французы успеют прийти в себя от первого удара. Вместо этого они дали своим противникам время привести войска и артиллерию в боевую готовность, и эффект внезапности, в результате которой высоты, занятые французами, могли бы перейти в руки русских, был почти потерян, едва только русские достигли Черной. Это еще одно доказательство того, как трудно маневрировать русскими войсками, когда обстоятельства требуют быстроты действий и когда младшие по чину командиры должны самостоятельно принимать решения.