К вечеру союзные корабли удалились. Всего в ходе боя 20 августа русские потеряли 6 человек убитыми и 13 человек были ранены. Последующие три дня союзники ремонтировали корабли, а русские восстанавливали батареи № 1 и № 3.

24 августа союзники решили вновь атаковать Петропавловск. Фрегат «Форт» подошел к пятипушечной батарее № 5, а фрегат «Президент» — к пятипушечной батарее № 4. Через некоторое время противнику удалось подавить русские батареи. Тогда близ батареи № 7 был высажен десант в 700 человек, а близ перешейка Лаперуза — еще 250 человек.

Первый отряд десантников преодолел хребет Никольской гряды и почти бегом направился к городу. Но вскоре этот отряд попал под огонь русских стрелков (около 250 человек), засевших в кустах. Потеряв убитыми четверых офицеров, десантники растерялись и побежали обратно к берегу. Однако русские догнали противника и навязали ему штыковый бой. С большим трудом десантникам удалось сесть в шлюпки и отплыть от берега.

24 августа сражение продолжалось с 7 ч 30 м до 11 ч 30 м по местному времени. Приняв десантников на борт, союзная эскадра ушла к Тарвинской бухте, где вновь был произведен ремонт кораблей и похоронены убитые.

Потери защитников Петропавловска в бою 24 августа составили 31 человек и 65 человек были ранены. В качестве трофеев русские захватили английское полковое знамя, семь офицерских сабель и 56 ружей. По английским и французским официальным источникам союзники потеряли 53 человека и 156 человек были ранены, американская и европейская пресса писала о 400 убитых.

Уходя из Авачинской губы, союзная эскадра встретила две небольшие русские шхуны — «Анадырь» и «Ситха». Первая была казенная, а вторая принадлежала Российско-американской компании. «Анадырь» союзники сожгли, а «Ситху» увели с собой в Ванкувер.

Поражение союзников в Петропавловске вызвало насмешки в американской и европейской прессе. Чтобы восстановить свой престиж, Англия и Франция на следующий год отправили к берегам Камчатки еще более мощную эскадру в составе двенадцати кораблей, на борту которых было 420 орудий. 19 мая 1855 года союзная эскадра вошла в Авачинскую бухту, но там не оказалось не только русских судов, но и самого Петропавловска.

Что же произошло и куда делись русские? Россия не имела достаточных средств на Дальнем Востоке для обороны. А на доставку войск и тяжелых пушек через всю Сибирь до Охотска потребовалось бы не меньше года, а то и двух. Поэтому было принято единственное разумное в сложившейся ситуации решение — эвакуировать Петропавловск.

3 марта 1855 г. контр-адмирал B.C. Завойко получил приказ иркутского губернатора Н.Н. Муравьева об эвакуации порта. К этому времени в Петропавловске находились: фрегат «Аврора», корвет «Оливуца», транспорты «Двина», «Байкал» и «Иртыш», боты «Кадьяк» и № 1. Гарнизон Петропавловска блестяще справился с задачей. С береговых батарей были сняты все пушки и погружены на корабли. Кроме того, на корабли было доставлено 80 тыс. пудов (1310 т.) различного казенного и частного имущества.

5 апреля все русские корабли покинули разоренный Петропавловск и двинулись к берегам Сахалина. Губернатор Муравьев приказал перенести главный порт Дальнего Востока из Петропавловска в Николаевский порт у устья Амура. Поскольку Татарский пролив был еще скован льдом, русская эскадра вошла в залив Де-Кастри.

Тем временем союзники до 15 июня постояли у Петропавловска, занимаясь тем, что сжигали уцелевшие строения. Отдельный отряд из двух кораблей под командованием командора Элиота был направлен на поиски русских в южную часть Татарского пролива. 8 мая отряд Элиота (парусный фрегат и паровой корвет, к которым присоединился позже парусный бриг) обнаружил русскую эскадру в заливе Де-Кастри. Паровой корвет вошел в залив и на предельной дальности безрезультатно обменялся несколькими выстрелами с корветом «Оливуца», а затем двинулся обратно.

Элиот счел свои силы недостаточными для атаки против русских и решил до подхода подкрепления блокировать залив ДеКастри с юга. И англичане, и французы свято верили, что Сахалин — полуостров, и с севера путь русским кораблям преграждает перешеек, соединяющий Сахалин с материком.

Контр-адмирал Невельский прибыл в залив Де-Кастри и предложил командирам кораблей идти к мысу Лазарева, а там дальше на север, насколько позволят льды. Предложение это было принято единогласно. Русская эскадра, не встретив льдов, прошла мыс Лазарева и 15 мая прибыла в устье Амура.

Через несколько дней английская эскадра из шести кораблей обыскала залив Де-Кастри, но не смогла найти русских кораблей.

Тем временем губернатор Муравьев предпринимал отчаянные попытки спасти русских на Дальнем Востоке от гибели. Еще 11 января 1854 г. Муравьеву было «высочайше разрешено» сноситься непосредственно с китайским правительством по всем пограничным вопросам. Муравьев добился личной аудиенции у Николая I в Петербурге, где просил разрешения императора на сплав вниз по Амуру войск и имущества для подкрепления Петропавловска, указывая, что ввиду возможных действий неприятельского флота иным путем подкрепить этот пункт нет возможности. Царь согласился.