Тем временем, борьба за Севастополь принимала все более ожесточенный характер.
Союзники получили подкрепление, и им удалось сосредоточить под Севастополем 120 000 человек. К этому времени прибыл искусный французский инженер генерал Ниель, давший новое направление осадным работам, которые направлены были против Малахова кургана – ключа севастопольской оборонительной линии.
Для противодействия этому русские выдвинулись вперед своим левым флангом и, после упорной борьбы, возвели весьма важные контр-апроши: редуты Селенгинский и Волынский, люнет Камчатский. Эдуард Иванович Тотлебен писал третьего (16) февраля: "Если теперь наши военные инженеры не уступают иностранным, то мы обязаны этим Государю, который сам, будучи Великим Князем, стоял во главе нашего корпуса и доныне сохраняет особенное расположение к инженерному искусству. Все наши занятия в Петергофе, как оказывается теперь, принесли громадную пользу".
В ответ Государь четвертого (17) февраля 1855 года за две недели до своей блаженной кончины писал Князю Меншикову: "Спасибо нашим молодцам саперам и минерам. Старый их товарищ радуется душевно их успехам. Непонятно мне, что французы не заложили усиленного горна, и несмотря на успех, надо быть осторожными..."
И действительно, неприятельские ядра и бомбы разрушали русские укрепления, убивали и увечили защитников города, в том числе саперов и их помощников, восстанавливавших разбитые бастионы. Они несли большие, зачастую невосполнимые потери. Гибли и получали раны и командиры, руководившие этими работами.
Восьмого (21) июня 1855 года был ранен в ногу, навылет ниже колена, сам Эдуард Иванович Тотлебен, но, покинув боевой строй, он еще два месяца находился в Севастополе, стесненном кольцом вражеской осады.
После оставления города и выздоровления Эдуарда Ивановича Тотлебен направили в г. Николаев, который следовало укрепить на случай внезапного нападения врага на расположенные в этом городе адмиралтейство, верфи и склады.
После выполнения в кратчайшие сроки, за 2 месяца, этого задания его перевели в Кронштадт для подготовки крепости к возможной атаке неприятельского флота и десанта.
Реформируя Русскую Армию.
В 1856-1858 гг. Эдуард Иванович Тотлебен пребывал за границей, где знакомился с организацией инженерного дела во Франции, Бельгии, Голландии, Германии.
По возвращении на родину генерал-майор Тотлебен Высочайше назначен был директором Инженерного департамента Военного министерства. Здесь будущий граф и кавалер принял активное участие в реформировании Русской Армии, начатой новым Военным министром России графом и будущим Андреевским кавалером и генерал-фельдмаршалом Дмитрием Алексеевичем Милютиным (1816-1912).
Во время Русско-турецкой войны.
Вновь генерал-майор Эдуард Иванович Тотлебен отличился во время Русско-турецкой войны 1877-1878 годов.
Высочайше назначенный начальником отряда обложения Плевны он возглавил ведущиеся под этой крепостью осадные работы. Будущий Андреевский кавалер стремился добиться капитуляции крепости, организовав ее полную блокады и разрушив систему обороны противника. Под его руководством фронт линейного обложения Плевны был разбит на шесть участков (дистанций), созданы пояса укреплений, дороги для маневра, улучшена система снабжения осадных войск, отрыты окопы, землянки, проложены линии телеграфа. Умело расставленная артиллерия начала методично разрушать крепостные сооружения. Кольцо блокады стиснуло турецкий гарнизон, в городе начались болезни, голод.
В ночь на 28 ноября (11 декабря) 1877 года турки предприняли попытку прорваться, но, потеряв шесть тысяч убитыми, отступили и вскоре капитулировали. Узнав о сдаче противника, Эдуард Иванович не стал возвеличивать свои заслуги, скромно заметив: «Не я победил Османа, а голод».
В дальнейшем Эдуард Иванович Тотлебен командовал Рущукским отрядом, а после окончания войны всей оставшейся в Болгарии Русской армией.
Высочайшая награда.
За проявленный в боях с неприятелем героизм Эдуард Иванович Тотлебен Высочайше пожалован был в 1878 году Государем Императором Александром II Николаевичем (1818-1881) орденами Святого великомученика Георгия Победоносца 2-го класса и Святого Апостола Андрея Первозванного.
15 (28) мая 1883 года Государь Император Высочайше пожаловал графу Э. И. Тотлебен высшую степень отличия Российской Империи – бриллиантовые знаки к Императорскому ордену Святого Апостола Андрея Первозванного.
Граф и сенатор.
В том же 1879 году по случаю 25-летия первой бомбардировки Севастополя неприятелем и подвига Русской Армии Эдуард Иванович Высочайше возведен был в графское Российской Империи достоинство.
В том же году Эдуард Иванович Тотлебен Высочайше введен был в Государственный Совет.