Известие о ранении Меншикова дошло до императора во время посещения им города Николаева. В этой поездке Николая Павловича сопровождал А. X. Бенкендорф. Возможно, что именно ему, генерал-лейтенанту Бенкендорфу, император предложил заменить раненого Меншикова. И возможно, что вместо себя Александр Христофорович предложил более достойную кандидатуру — М. С. Воронцова. Во всяком случае, император спешно отправил в Одессу Бенкендорфа с предложением Воронцову возглавить осаду Варны. На следующий день, 13 августа, фрегат «Штандарт» с Михаилом Семеновичем на борту отправился к Варне.
Николай I отплыл из Николаева к Варне на фрегате «Флора». 24 часа команда фрегата безуспешно боролась со встречным ветром. Император вынужден был сойти на берег.
М. С. Воронцов продолжил подготовку к штурму Варны и в то же время начал вести переговоры с турецким командованием о добровольной сдаче крепости. Турки посчитали предложения Воронцова неприемлемыми и стали затягивать переговоры. Прибывший к Варне император отметил с удовлетворением, что, несмотря на частые вылазки турок, русские батареи находились всего в 30 саженях от укреплений противника и их огонь был очень действенным.
Но наибольший урон противнику наносила корабельная артиллерия. Флот принудил замолчать береговые батареи турок. За время осады Варны на нее было выпущено 25 тысяч снарядов. Ряды защитников крепости стали таять.
18 августа во время очередной вылазки турки напали на русский редут. Некоторые из смельчаков даже вскочили в амбразуры, но две роты пехотного полка герцога Веллингтона отбили вылазку неприятеля. Новая вылазка, в которой турки задействовали большие силы, также закончилась неудачей. А группа русских солдат-охотников неслышно подошла к позициям отступившего противника, ударила в штыки, захватила 5 знамен и заставила турок бежать в крепость.
С прибытием гвардейских полков было завершено полное окружение Варны. Теперь турки не могли беспрепятственно получать подкрепление. 2 сентября взлетел на воздух турецкий контр-эскарп. Под ним было взорвано 300 пудов пороха. Турки ответили рядом вылазок, чтобы помешать установке новых мин. Однако 21 сентября было взорвано 180 пудов пороха под одним из бастионов, а 22 сентября — 130 и 48 пудов пороха под другими бастионами. В крепостной стене Варны образовались три большие бреши.
24 сентября в 5 часов утра по сигналу ракеты русские атаковали турок. В результате атаки турки потеряли один из своих бастионов, это заставило их вернуться к переговорам. С турецкой стороны в переговорах участвовал Юсуф-паша. Узнав, что Капудан-паша решил продолжить сопротивление, Юсуф-паша и 4 тысячи его воинов сдались в плен.
Сражение в стенах крепости могло привести к большим жертвам с обеих сторон. Но М. С. Воронцов сумел убедить противника в бесполезности дальнейшей обороны Варны, и до сражения дело не дошло. Турки капитулировали. Русские полки вошли в крепость через проломы с развернутыми знаменами и барабанным боем. Неприступная крепость пала. Николай I, уважая храбрость Капудан-паши, даровал ему и тремстам человек его свиты свободу.
29 сентября, в день падения Варны, император подписал очередной рескрипт М. С. Воронцову, в котором говорилось: «Отрывая Вас временно от управления Новороссийскими губерниями к начальствованию отрядом войск, осаждавших Варну, Я был уверен, что многолетняя Ваша опытность в делах военных и примерное усердие к пользам отечества, оправдают в полной мере Мой выбор. Сие ожидание исполнилось: продолжая осадные работы, храбрые Русские воины были непрестанно и везде воодушевляемы Вашим примером; а благоразумные распоряжения Ваши приуготовили верный успех трудам их. В ознаменование отличного Моего внимания к сим новым успехам Всемилостивейше жалую Вам золотую шпагу с надписью: за взятие Варны»2.
После взятия Варны Николай I перешел на линейный корабль «Императрица Мария». В его свите находился и М. С. Воронцов. Корабль направился к российским берегам. Но через 36 часов спокойного плавания разразилась сильная буря. Снасти на корабле были сорваны ветром, сам корабль понесло к турецкому берегу. Опасаясь, что турки завладеют кораблем, Михаил Семенович сказал, что нельзя допустить, чтобы император и его свита попали в плен. Лучше уж взорвать бочки с порохом и всем взлететь на воздух. Но все обошлось — буря прекратилась, и «Императрица Мария» благополучно пришвартовалась в Одессе.