Во время обороны Севастополя Тотлебен руководил восстановлением разрушенных неприятельским огнем укреплений. На фронте в 7,5 км сформировалась разветвленная система ложементов, передовых окопов и редутов, тщательно приспособленных к местности. Они обеспечивали усиление ружейного огня, затрудняли противнику ведение осадных работ, способствовали производству вылазок, а главное - стали, по выражению Тотлебена, «ушами и глазами обороняющихся». Главные артиллерийские позиции Эдуард Иванович развернул на опорных пунктах-бастионах, приступив таким образом к осуществлению идеи «выноса крепостной артиллерии из фортов на промежутки».
Строительство и восстановление укреплений требовали постоянной изнурительной и опасной работы, и не все начальники стремились утомлять своих людей тяжелой физической работой. Некоторые из них пытались даже жаловаться на главного военного инженера. Однако их ждало разочарование. Узнав о причинах такого недовольства Нахимов, тот отреагировал на жалобу резко и решительно: «На Тотлебена-с?! Извольте идти вон-с». Отдавая должное своему помощнику, Павел Степанович не раз повторял: «А без Тотлебена мы пропали бы, непременно-с пропали бы». В марте 1855 года Эдуард Иванович получил эполеты генерал-майора.
Однако борьба за Севастополь принимала все более ожесточенный характер. Неприятельские ядра и бомбы разрушали русские укрепления, убивали и увечили защитников города, в том числе саперов и их помощников, восстанавливавших разбитые бастионы. Они несли большие, зачастую невосполнимые потери. Гибли и получали раны и командиры, руководившие этими работами. 8 июня был ранен в ногу (навылет ниже колена) сам Тотлебен, но, покинув боевой строй, он еще два месяца находился в Севастополе, стесненном кольцом вражеской осады.
