5 (17) февраля 1855 г., русские войска под командованием генерала Хрулёва начали штурм Евпатории. 

Главнокомандующий русской армией Меншиков отдал под начало генерала Хрулёва пехоту и часть кавалерии евпаторийского отряда, в составе 22-х батальонов, 24-х эскадронов и 5-ти казачьих сотен, — всего около 19 тыс. человек при 108 орудиях.

Атака русских войск под командованием Хрулёва не была неожиданностью для засевших в Евпатории турок, их разведка донесла о готовящемся штурме Евпатории, и противник хорошо подготовился.

Городская оборонительная стена Евпатории была усилена сплошным земляным валом и широким рвом, сразу после сражения при Инкермане. Артиллерия интервентов была значительно усилена — увеличено число батарей, и количество вооружения. В начале оккупации Евпатории интервенты укрепили небольшой евпаторийский гарнизон несколькими турецкими батальонами, переброшенными из Балаклавы и Камыша.

В конце 1854 г. перебежчики сообщили русскому командованию, готовившему штурм Евпатории, что вражеский гарнизон города состоит примерно из 10 тысяч турок, 5 тысяч крымских татар и 700 французов и англичан, не считая экипажей кораблей, которые могли поддержать свои сухопутные войска резервами и огнём артиллерии. Эти данные были явно завышены.

28 января (9 февраля) 1854 г. вражеская группировка была серьёзно усилена — в Евпатории высадился турецкий корпус под началом Омера-паши, две турецкие и одна египетская дивизии, с двумя эскадронами и двумя полевыми батареями, всего 21,6 тыс. солдат. В Евпатории оставался прежний турецко-татарский гарнизон, небольшой отряд французов и экипаж превращенного в береговую батарею французского корабля «Генрих IV». Всего группировка противника достигла 30 тыс. человек, имевших около 100 пушек. С моря интервенты могли поддержать огнем корабельной артиллерии несколько британских, французских и турецких пароходов и кораблей.

Хрулёв подошёл к Евпатории довольно близко и даже смог переговорить с местными жителями. Обследовав подступы к городу, генерал пришёл к выводу, что поскольку земляные укрепления города ещё не были завершены, а насыпи были низкими, то возможен успешный штурм Евпатории. Меншиков, видя такую уверенность своего генерала, поручил ему подготовку и проведение операции. В распоряжении Хрулёва были около 19 тысяч человек при 108 орудиях: 36 батальонов пехоты и 6 полков конницы.

В конце января 1855 года турецкий корпус Омера-паши численностью более 21 тысячи солдат, состоявший из турецких и египетских дивизий. В общей сложности к началу сражения при Евпатории у противника было примерно 30 тысяч человек при 100 орудиях и поддержка с моря.

Местность перед Евпаторией хорошо простреливается корабельной артиллерией союзного флота — это было хорошо известно Хрулёву. Чтобы снизить их воздействие на русские войска, генерал решил нанести основной удар по центру, и при этом отвлечь противников атакой на фланги, которая должна была предшествовать главному удару.

Хрулёв решил открыть артиллерийский огонь с ближнего расстояния, для этого он поручил в 250 саженях от городской стены оборудовать позиции и возвести полевые укрепления, чтобы защитить свои орудия. Ночью перед сражением русские войска под прикрытием казачьих постов приступили к работе, к утру позиции для 76 орудий были готовы. Ещё 32 орудия Хрулёв оставил в резерве. За артиллерией он выставил две линии по шесть батальонов каждая, а ещё 10 батальонов были в резерве.

Рано утром 5 (17) февраля 1855 года артиллерия начала перестрелку. Противник был готов к бою и знал о ночной подготовке русских войск. Поначалу артиллерия Хрулёва действовала довольно успешно. Он докладывал:

«Действие нашей артиллерии, управляемой полковником Шейдеманом, было чрезвычайно удачно; многие из неприятельских орудий вынуждены были на время прекратить огонь, пять зарядных ящиков или погребков были взорваны, в особенности один из взрывов был значителен».

Заметив ослабление неприятельского огня, Хрулёв решил с левого крыла начать штурм Евпатории, чтобы отрезать вражеский гарнизон от Сакской косы. Отряд подполковника Панаева подошёл к городским стенам и выдвинул вперёд греческих добровольцев и 400 пеших казаков. Им удалось подойти к укреплениям на 100 шагов и завязать перестрелку с противником.

«Около 10 час. утра вся линия наших батарей подалась к городу на 150 сажень и открыла огонь картечью. Тогда часть неприятельской пехоты и кавалерии под прикрытием штуцерных вышла со стороны карантина; движение это было сопровождаемо выстрелами с неприятельских пароходов, расположенных против нашего правого крыла».

Отряды генерал-майора Огарёва и греческий батальон Панаева были встречены сильным артиллерийско-ружейным огнём с укреплений города и вражеских кораблей. Русские войска несли потери, но сумели добраться до рва, однако не смогли его форсировать из-за того, что взятые с собою лестницы оказались слишком короткими. Хрулёв понял, что гарнизон Евпатории сильнее и продолжение битвы может обернуться полным разгромом. Он приказал русской армии отступать. При отступлении русской армии противник попытались атаковать левую колонну кавалерией, но наши солдаты приготовились к обороне, готовые ответить штыками и картечью. Увидев это, неприятельская кавалерия не решилась дальше наступать. К 11 часам стрельба прекратилась, а солдаты Хрулёва вернулись к местам прежней дислокации.

В результате атаки 5 (17) февраля 1855 года мы потеряли 769 человек, в том числе 168 убитых, потери противника составили 419 человек. Угроза для России оставалась, турки и их союзники продолжили осаду Севастополя. Сообщение Меншикова об очередной неудаче русских войск было получено государем 12 февраля.

Несмотря на неудачу, штурм Евпатории всё же парализовал активность турецкого войска, которое так и не предприняло здесь более активных действий. Весть о неудаче под Евпаторией, по всей видимости, ускорила кончину императора Николая I. И без того уже ослабленный болезнью император Николай I был сломлен этим известием окончательно.  18 февраля 1855 г. его не стало. Перед смертью своим последним приказом он успел сместить за провал штурма командующего русскими войсками в Крыму князя Меншикова и передать командование князю Горчакову.

В 1858 году Евпаторийская караимская община решила увековечить события Крымской войны и почтить память доблестных русских воинов. На месте боев, на окраине города, где находился оборонный вал,  на средства местных купцов был установлен мраморный обелиск и пара трофейных пушек. Текст на табличке такой: «Храбрым защитникам веры, царя и отечества, павшим здесь 5 февраля 1855 года.»