Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнен количественный анализ эволюции дефектной и карбидной подсистем среднеуглеродистой стали с бейнитной структурой при деформации сжатием до 36%. Выполнен количественный анализ перераспределения углерода и установлены зависимости концентрации атомов углерода, расположенных в кристаллической решётке $\alpha$- и $\gamma$-железа, на дефектах структуры, в цементитных частицах, лежащих в объёме пластин бейнита и на внутрифазных границах, от степени деформации. Определены зависимости продольных и поперечных размеров частиц цементита в объёме кристаллов бейнита, объёмных долей частиц цементита и остаточного аустенита, скалярной плотности дислокаций, объёма материала с микродвойниками, размеров фрагментов, количества концентраторов напряжений и ширины контуров экстинкции от степени деформации. Показано, что с ростом степени деформации скалярная плотность дислокаций, объём материала с деформационными двойниками, количество концентраторов напряжений, амплитуда кривизны–кручения кристаллической решётки, степень разориентации фрагментов увеличиваются, а средние продольные размеры фрагментов — уменьшаются. Выполнена оценка дальнодействующих полей напряжений. Обсуждены возможные причины стадийности изменения параметров карбидной фазы и дислокационной субструктуры с деформацией. Проведены оценки механизмов упрочнений границами пластин и фрагментов, скалярной плотностью дислокаций, дальнодействующими полями напряжений, частицами цементита, атомами внедрения. Показано, что наибольший вклад в величину деформационного упрочнения исследуемой стали даёт субструктурное упрочнение (упрочнение, обусловленное дальнодействующими внутренними полями напряжений и фрагментацией структуры) и твёрдорастворное упрочнение, обусловленное внедрением атомов углерода в кристаллическую решётку феррита. Высказано предположение, что причиной разупрочнения стали с бейнитной структурой при больших (более 15%) степенях деформации является активация процесса деформационного микродвойникования.