В январе 1834 года был вновь направлен на Черноморский флот, где стал командиром 84-пушечного корабля «Силистрия». В звании капитана 2-го ранга участвовал в крейсерских действиях около кавказских берегов, обеспечивая прикрытие сухопутных войск. С марта 1838 по август 1839 года был в вынужденном отпуске по болезни. После возвращения на флот вплоть до конца 1853 года командовал различными кораблями, отрядами и эскадрами Черноморского флота. Внес вклад в создание и укрепление Черноморской береговой линии. В 1845 году произведен в контр-адмиралы и назначен командиром 1-й бригады кораблей 4-й дивизии, с 1852 года - вице-адмирал и начальник 5-й флотской дивизии. С началом Крымской войны принял командование Черноморской эскадрой. В ноябре 1853 года эскадра Павла Нахимова заблокировала главные силы турецкого флота в бухте Синоп и 30 ноября полностью разгромила противника. Синопское сражение стало последним крупным боем эпохи парусного флота. За эту победу Нахимов был награжден орденом Святого Георгия 2-й степени. С переносом боевых действий на территорию Крыма в 1854-1855 годах вместе с вице-адмиралом Владимиром Корниловым и контр-адмиралом Владимиром Истоминым возглавил героическую оборону Севастополя. Под его руководством формировались морские батальоны, строились батареи, готовились резервы. Нахимов уделял постоянное внимание наиболее эффективному применению артиллерии, строительству укреплений и инженерных сооружений, снабжению защитников города. Часто лично руководил боевыми действиями непосредственно на передовой линии обороны. 10 июля 1855 года был смертельно ранен пулей в висок на Корниловском бастионе Малахова кургана. Умер 12 июля, не приходя в сознание. Похоронен с воинскими почестями во Владимирском соборе Севастополя. Во время Великой Отечественной войны были учреждены медаль Нахимова и орден Нахимова 1-й и 2-й степени.