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.
