Während des Krimkriegs machte sich Nachimow unter anderem durch die Vernichtung der osmanischen Flotte beim Sieg in der Seeschlacht bei Sinope im Jahre 1853 verdient. Seine größte Leistung vollbrachte er aber bei der darauffolgenden Belagerung von Sewastopol. Zusammen mit Admiral Wladimir Alexejewitsch Kornilow organisierte er die Verteidigung der Stadt und ihres Hafens, des Heimathafens der russischen Schwarzmeerflotte. Als Hafenkommandant und Militärgouverneur war Nachimow de facto Oberbefehlshaber der verteidigenden Land- und Seestreitkräfte. Am 28. Juni 1855 wurde er bei einer Inspektion der vorgelagerten Verteidigungsanlagen des Forts Malakow von einem Scharfschützen tödlich verwundet.