Разработку проектов переоборудования поручили строителям фрегатов, которые для изучения иностранного опыта летом 1862 г. посетили верфи Англии и Франции. На "Севастополе" предусматривалась установка железных плит (длина плиты в средней части корабля 4,82 м, ширина 0,85 м, толщина 114 мм, тиковая подкладка толщиной 254 мм) вдоль всего борта до уровня батарейной палубы и с погружением их в воду около 1,3 м. Артиллерийская батарея, располагавшаяся в средней части фрегата и имевшая по 14 орудийных портов на каждом борту, защищалась 114-мм плитами до высоты верхней палубы. В носовой оконечности предусматривался защищенный такими же плитами бикгед (наклонная переборка) с двумя орудийными портами, а в корме — бронированная 114-мм траверзная переборка. Общая высота бронирования в районе миделя достигала 5,3 м (шесть рядов плит), в носовой и кормовой оконечностях толщина броневого пояса постепенно уменьшалась до 76 мм, боевая рубка защищалась плитами толщиной 102 мм. Водоизмещение возрастало почти на 900 т, парусное вооружение сокращалось.

Проект А.Л. Иващенко для "Петропавловска" отличался тем, что предстояло увеличить ширину уже собранного на стапеле набора. Общая высота шести рядов плит (длина большинства из них 4,88, ширина 0.92) у миделя составляла 5,36 м (1,44 м ниже грузовой ватерлинии). Носовой и кормовой траверзы защищались 114-мм плитами, деревянная обшивка у форштевня доводилась до верхней палубы. В бронированной батарее прорезались 13 портов с каждого борта, высота нижней кромки портов от воды в середине достигала 2,24 м. Оба фрегата имели таран, усиленный броневыми плитами (броню поставлял завод "Броун и К°" в Англии).

Паровые машины изготовлялись в России по образцу машин линейного корабля "Цесаревич" и фрегата "Олег". На "Севастополе" установили двухлопастный подъемный винт, на "Петропавловске" — обычный для того времени четырехлопастный. "Севастополь" вывели из дока 12 августа 1864 г… а в следующем году он прошел испытания без рангоута (водоизмещение 5910 т). На мерной линии при индикаторной мощности машины, изготовленной на Ижорском заводе, 3380 л.с. фрегат показал скорость 13,95 узла.

В кампании 1865 г. фрегат, вооруженный тридцатью 196-мм гладкоствольными пушками (масса бомбы 17,7 кг, максимальная дальность стрельбы 16 кабельтовых), возглавил в качестве флагманского корабля первый заграничный поход русского броненосного флота и посетил порты Балтийского моря. В соответствии с решением Морского министерства от 7 ноября 1863 г. гладкоствольная артиллерия на "Севастополе" постепенно заменялась на нарезную, и в середине 70-х годов его батарея насчитывала четырнадцать 203-мм нарезных орудий (масса снаряда 79 кг, максимальная дальность стрельбы 25 кабельтовых), два 203-мм орудия установили на поворотных платформах в носу и одно 152-мм — в корме на верхней палубе.

"Петропавловск", спущенный на воду 15 августа 1865 г… в дополнение к двадцати 203-мм орудиям в батарее вооружили двумя поворотными орудиями (203- и 152мм). 1 августа 1867 г. этот фрегат на испытаниях с рангоутом (водоизмещение 6010 т) достиг скорости 11,8 уз при индикаторной мощности машины завода Берда 2805 л.с. В кампанию 1868 г. "Петропавловск" по праву считался сильнейшим кораблем русского флота.

В 70-е годы XIX в. оба фрегата входили в боевое ядро броненосной эскадры Балтийского флота. По инициативе начальника эскадры вице-адмирала Г.И. Бутакова на "Петропавловске" в кампанию 1873 г. установили электрические прожекторы, а в следующем году — первую в русском флоте противоминную (летучую) батарею из десяти 87-мм нарезных пушек, установленных на станках Обуховского завода. Станки на выдававшихся за борт площадках верхней палубы обеспечивали угол обстрела 137°.

Русско-турецкая война 1877–1878 гг. застала "Петропавловск" в Средиземном море, но по политическим мотивам броненосец не мог участвовать в боевых действиях против турецкого флота. "Севастополь" разоружили летом 1877 г. в Кронштадте, однако его экипаж (более 530 человек) принимал участие в операциях морских отрядов на Дунае. Этот фрегат был исключен из списков 11 октября 1886 г., а в мае следующего года продан на слом. "Петропавловск" числился в составе флота до 4 января 1892 г.

Батарейные броненосцы "Севастополь" и "Петропавловск" — представители первого поколения броненосных линейных кораблей. Их несовершенство заключалось в малых углах обстрела, ограниченном калибре бортовых орудий, слабой броневой защите и уязвимости рулевого привода.

Стремление увеличить углы обстрела, при вести их в соответствие с тактикой боя на острых курсовых углах явилось причиной появления в середине 60-х годов XIX в. казематных броненосцев (в русском флоте — "Князь Пожарский").

Одновременно развитие башенных артиллерийских установок открыло новые возможности для увеличения калибра, улучшения защиты орудий и концентрации огня в широком диапазоне курсовых углов, увеличения толщины и рационального размещения броневой защиты. Еще летом 1862 г. контр-адмирал С.С. Лесовский представил в Морское министерство проект переделки "Севастополя" и "Петропавловска" в безрангоутные низкобортные броненосные батареи с тремя башнями. Однако от такой переделки все же отказались.

Совмещение башенной системы установки орудий с фрегатским рангоутом отражал проект двухбашенного фрегата "Минин", который вначале предусматривалось вооружить четырьмя 229-м м, а позднее столькими же 280-мм нарезными орудиями. Сохранился его чертеж, датированный 31 марта 1867 г. и дающий представление об одном из главных путей совершенствования броненосных линейных кораблей в середине 60-х годов XIX в.

Основные преимущества башенного фрегата перед батарейными заключались в возможности сосредоточения на одной цели огня всех четырех тяжелых орудий и их надежной защите. Для удобства обслуживания парусов и шлюпок над верхней палубой по всей длине оборудовался переходный мостик, соединявший носовую и кормовую надстройки.

Развитием идеи рангоутного башенного броненосца следует считать и проект генерал-лейтенанта И. С. Дмитриева, сформулировавшего в апреле 1869 г. основные требования к мореходному броненосному кораблю. По его мнению, такой броненосец должен был иметь достаточную остойчивость, необходимую для действия башенных нарезных орудий самого большого калибра (280–305 мм), полную парусность, удобные помещения для экипажа, запас топлива на пять суток полного хода.

Проект И.С. Дмитриева предусматривал размещение башен в бронированном бруствере, отнесенном от бортов к середине и служившем для защиты жизненно важной центральной части корабля. Однако проект остался только на бумаге. Также не появился на свет и двухбашенный "Минин", достроенный позднее как броненосный крейсер. Гибель 7 сентября 1870 г. английского корабля "Кептен" подорвала доверие к низкобортным башенным рангоутным броненосцам. Кроме того, с 21 мая 1869 г. находился в постройке бруствернобашенный безрангоутный броненосец "Крейсер" (с 1872 г. — "Петр Великий"), проект которого, составленный под руководством контр-адмирала А.А. Попова, оказался наиболее совершенным и перспективным для развития типа броненосного линейного корабля не только в отечественном, но и в иностранных флотах.

Таким образом, развитие типа отечественного броненосного линейного корабля в 60-х годах XIX в. шло по пути увеличения толщины при одновременном уменьшении площади бронирования, перехода от бортового расположения орудий к наиболее рациональному — башенному, которое позволило довести их калибр до 305 мм и обеспечить наибольшие углы обстрела. При этом непрерывно росла мощность паровых машин и наметилась тенденция к полному отказу от парусного вооружения, сохранявшего лишь вспомогательное назначение.