Große Bekanntheit unter den europäischen Militärs erreichte er nach der schnellen Errichtung von Verteidigungswerken auf der Südseite von Sewastopol, welche allein die lange Verteidigung der Festung ermöglichten. In den Anfangsstadien der Belagerung von Sewastopol waren die Befestigungsanlagen kaum mehr als hastig errichtete Erdwälle, verstärkt durch Flechtwerk, Faschinen und Gabionen. Unter Leitung des Ingenieurs Totleben wurden in den Wintermonaten 1854/55 Wallanlagen und Schützengräben auf einem raffiniertem Niveau als je zuvor in der Geschichte der Belagerungskriegsführung errichtet. Die Bastionen ließ Totleben durch Kasematten verstärken: mehrere Meter unter der Erdoberfläche eingebunkerte Geschützstellungen, bedeckt mit dicken Schiffsbalken und Erde, wodurch sie dem schwersten Beschuss standhielten. Im Innern der am stärksten befestigten Bastionen, des Malachow und des Redan, befand sich ein Labyrinth aus Bunkern und anderen Räumlichkeiten, und jede verfügte über eine kleine Kapelle und ein Lazarett.