Боевая карьера И.Ф. Лихачёва началась в ходе Крымской войны 1853–1856 гг. Формальным поводом к её началу послужил спор о так называемых святых местах, находившихся в Османской империи. Действительная причина крылась в экономических и политических противоречиях между Британской, Французской и Османской империями с одной стороны, и Российской – с другой, ведших борьбу за сферы влияния на Балканах и на Ближнем Востоке. Война 1853–1856 гг. вошла в историю под названием Крымской, хотя велась также в районе Дуная, на кавказско-турецкой границе, на Балтике и на Белом море, достигнув даже берегов Камчатки. Выдающееся место в этой войне занимает героическая оборона Севастополя, к которому были стянуты основные сухопутные и морские силы противника.

В начале 1854 г. И.Ф. Лихачёв приехал в Севастополь и весной стал флаг-офицером вице-адмирала В.А. Корнилова – первого руководителя обороны города. 6 мая 1854 г. на пароходофрегате «Бессарабия» И.Ф. Лихачёв участвовал в сражении с отрядом из английского и двух французских пароходов. В конце года Ивана Фёдоровича произвели в капитаны 2-го ранга. В 1855 г. он организовал эвакуацию людей и вооружения с позиций, участвовал в строительстве наплавного моста через бухту, по которому 27 августа 1855 г. были выведены войска. Получив за день до этого сильную контузию, покинул командный пункт лишь с уходом последнего отряда.

За Крымскую войну И.Ф. Лихачёв удостоился двух орденов: Св. Анны 2-й степени с мечами и Св. Станислава с императорской короной и мечами. В августе 1856 г. он стал капитаном 1-го ранга.

Всю жизнь тема обороны Севастополя была важна для И.Ф. Лихачёва. О своём погибшем командире И.Ф. Лихачёв тепло отозвался в статье «Памяти Корнилова», вышедшей в «Морском сборнике» сразу после войны (1856). Его полная горькой правды статья «В Севастополе – 50 лет тому назад» в журнале «Русская старина»(1904), сильно сокращённая цензурой, смогла выйти в «Морском сборнике» в полном виде лишь после смерти автора (1913).

Крымская война явилась одним из крупнейших исторических событий XIX в. и имела исключительно большое значение не только в области политики, но и в области военного искусства. Война выявила преимущества нарезного оружия перед гладкоствольным и парового флота перед парусным. Парусные корабли после этой войны отошли в прошлое, а Синопская битва стала последним сражением парусных эскадр. Поражение России в Крымской войне доказало настоятельную необходимость реформ, в том числе и в военно-морском флоте.