Вскоре полковник барон Дельвиг принял живейшее участие в войне с турками и в 1853 году, в отряде Лидерса, не раз был под боевым огнём, а в 1854 году принял, между прочим, участие в переправе через Дунай у Галаца, в занятии Мачина и в борьбе под Силистриею. Наградою за эту боевую деятельность был орден св. Владимира 3-й степени и, 18 октября 1854 года, назначение командующим Владимирским пехотным полком. С ним Николай Иванович сделал всю Севастопольскую кампанию и уже 24 октября, в сражении под Инкерманом, был ранен в третий раз, пулей в правую руку. За отличия, оказанные в этом кровавом бою, барон был произведён в генерал-майоры и утверждён в звании командира того же полка. Затем, по выздоровлении, с конца марта 1855 года по конец мая, и с половины июня по 24 августа, Николай Иванович, вместе со своим полком, принимает горячее участие в геройской обороне Севастополя. Сначала Владимирский пехотный полк участвовал в обороне 3-го бастиона, причём выдержал множество схваток с противником и несколько бомбардирований. Во время одного из них Дельвиг был контужен осколком бомбы в лобную часть головы, руку и живот. Затем Николаю Ивановичу пришлось быть сперва на правом фланге оборонительной линии, а потом — с 15 мая — снова на левом фланге. 26 мая барон принял деятельное участие в обороне Волынского и Селенгинского редутов и Камчатского люнета, причём снова был ранен осколком гранаты в голову, с повреждением черепных покровов. Эта рана заставила слечь Николая Ивановича, но едва только он немного оправился, как вновь появился на своем посту, на 3-м бастионе, а потом — участвовал в тяжелом бою на Малаховом кургане. Назначенный командиром 1-й бригады 5-й пехотной дивизии, Дельвиг 24 августа выбыл из Севастополя. За последние подвиги барон был награждён орденом св. Станислава 1-й степени с мечами.