Рост числа и калибра бомбических орудий, мощности машин, увеличение их общей массы наряду с ограниченными конструктивными возможностями дерева привели к переоценке роли винтовых линейных кораблей. В 1857–1858 гг. Морское министерство взяло курс на постройку крупных фрегатов, вооруженных артиллерией самого большого калибра. Их водоизмещение достигло 4500–5700 т, стоимость корпусов и машин 880000-1000000 руб. серебром.

Положительный опыт боевого применения бомбической артиллерии и первых броненосцев во время Крымской войны 1853–1856 гг. ускорил переход к железному броненосному кораблестроению в Англии и Франции. О том, что Россия значительно отставала, говорит хотя бы такой факт: в год спуска на воду первого французского мореходного броненосца "Глуар" (1859 г.) были утверждены к постройке четыре очередных деревянных винтовых фрегата ("Наварин", "Чесма", "Севастополь" и "Петропавловск"), устаревших еще до начала строительства. Поэтому 4 апреля 1860 г. Морское министерство приняло решение вместо двух первых из них строить девять малых крейсеров-клиперов. Контракт же на постройку в Северном доке Кронштадта 59-пушечного фрегата "Севастополь" заключили с купцом С.Г. Кудрявцевым 3 июня, причем подрядчик обязался использовать лучшие материалы (дуб, тик, частично сосну) и вывести корабль из дока 15 октября 1862 г.

Постройку казенными средствами в Новом адмиралтействе фрегата "Петропавловск" утвердили 19 сентября 1860 г. Прототипом для него послужил "Севастополь", проект которого составлялся "сообразно к чертежам" новейших иностранных и русских фрегатов. Постройку фрегатов, заложенных соответственно 16 марта и 9 сентября 1861 г… возглавили корабельные инженеры полковник А. Х. Шаунбург и капитан А. А. Иващенко. Это происходило в то самое время, когда в Англии и Франции широко развернулось строительство броненосцев как с железными, так и с деревянными корпусами.

Усилия русского Морского министерства сосредоточились на броненосном кораблестроении лишь в 1862 г. Было решено строить в Петербурге второй корабль по типу заказанной в 1861 г. в Англии броненосной батареи "Первенец" и обшить броней строившиеся "Севастополь" и "Петропавловск", которые впоследствии стали единственными в русском флоте броненосными деревянными кораблями.

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.