Il participe à la guerre de Crimée de 1854 à 1855 au sein de l'armée d'Orient. Il prend part à la Bataille d'Inkerman le 8 novembre 1854. Il est confirmé officier de la Légion d'Honneur le 28 décembre 1854 pour Faits de Guerre. Lors du siège de Sébastopol, il se trouve aux combats de nuit du 22 janvier, du 11 et du 13 avril. Il obtient ses épaulettes de lieutenant-colonel le 14 mars 1855. Lors de l'assaut du 15 avril, qui sera appelé "nuit des entonnoirs", le tout récent lieutenant-colonel Martenot de Cordoue dirige l'aile gauche de l'attaque contre la batterie Russe . Durant l'assaut de la nuit du 1 au 2 mai 1855, le colonel colonel Vienot trouve la mort à ses côtés, Charles-Octave Martenot de Cordoue prend donc le commandement du 1er régiment étranger et mène l'assaut qui verra 14 des 18 officiers du régiment tués. Pour cette action d'éclat, il sera cité dans l'ordre général de l'armée . Les 22 et 23 mai il conduit ses compagnies d'élites à prendre et à reprendre de nouveaux retranchements face à douze bataillons russes. Après la chute de Sébastopol, il est honorablement cité dans le rapport du général Pélissier sur la bataille de Malakoff. La bataille de Malakoff et la prise de Sébastopol seront ajoutées au drapeau du régiment étranger. Il est promu au grade de colonel du étranger par décret impérial du 22 septembre 1855. Il est fait chevalier de l'ordre du Bain en 1856 de la main même de la Reine d'Angleterre Victoria.