Основной целью атакующих и главной силой обороняющихся являлась эскадра вице-адмирала Осман-паши, состоявшая из 7 фрегатов, 3 корветов, 2 пароходов и 2 транспортов. Кроме того, на рейде стояли 2 турецких торговых судна и ионическая шхуна.
Осман-паша, готовясь к бою, расположил фрегаты и корветы на якорях вблизи пятисаженной (десятиметровой) отметки глубин традиционным полумесяцем, оставив в центре разрыв для стрельбы батареи № 5; береговые батареи обеспечивали и фланги боевого порядка. Приближающаяся атакующая эскадра неминуемо попадала под перекрестный огонь кораблей и батарей. Близкое расположение от малых глубин исключало охват боевой линии со стороны берега и позволяло отводить к мели поврежденные фрегаты. Если бы легкие суда противника пытались взять турок в два огня, они оказались бы зажаты между кораблями и батареями. Пароходы, транспорты и торговые суда стояли за боевой линией.
Критики считали, что принятое Осман-пашой построение неудачно, ибо корабли якобы мешали стрельбе береговых батарей. Было высказано даже мнение, что стоило поставить эскадру в стороне от города, чтобы исключить его разрушение в случае боя и позволить батареям вести более свободный продольный обстрел русских кораблей. Высказывалось также не раз мнение о том, что следовало часть пушек бортов, обращенных к берегу, перевезти на берег и усилить ими батареи. 32-фунтовые пушки в бою могли конкурировать с артиллерией линейных кораблей. Английские эксперименты показали, что 32-фунтовая пушка, заряженная двумя ядрами, способна с расстояния 360 метров пробить борт линейного корабля насквозь. В этом случае, несомненно, повреждения и потери русской эскадры были бы значительно больше. Но мог ли турецкий адмирал пойти на такой шаг?
Осман-паша имел вполне определенные инструкции и был готов выйти в море к берегам Кавказа, где предстояло высадить войска и выгрузить вооружение для возбуждения восстания горских племен против российского самодержавия. Он и эскадру построил носом к выходу из бухты, чтобы при благоприятных условиях продолжить плавание на восток. Вице-адмирал сообщил в Константинополь и о приближении эскадры П. С. Нахимова 11 ноября, и о соединении эскадр в виду Синопа. Однако турецкий диван, вероятно, не мог поверить в безрассудство русского командования, решающегося атаковать турецкие корабли в порту вопреки угрозам англо-французской дипломатии. Иностранные газеты сообщали, что Осман-паше была обещана помощь, когда улучшится погода; до того эскадре было приказано оставаться в бухте. Не исключено, что британский посол, имевший значительное влияние на правительство султана, как сторонник войны с Россией мог рассчитывать, что эскадра в Синопе станет приманкой, которая даст предлог английской дипломатии для решительных действий. Возможно, именно поэтому Стрэтфорд Рэдклиф считал своим успехом то, что отговорил турок от предложенного А. Слейдом замысла отправить в Синоп на зимовку линейные корабли. Характер турецкой дисциплины, ограничивавшей возможность проявления инициативы, и фатализм турок стали дополнительными причинами бездеятельности турецкого командования перед лицом грозной опасности, что облегчало задачу русской эскадры.
Располагая вполне определенным предписанием уничтожить турецкую эскадру, обнаруженную в Синопе, вице-адмирал Нахимов к 17 ноября располагал 6 линейными кораблями и 2 фрегатами. Правда, он не получил ни одного парохода, но опасность появления крупных турецких или тем паче англо-французских сил требовала поторопиться и воспользоваться своим превосходством при первом удобном случае.
Следовало до предела уменьшить время сближения эскадры с неприятелем, чтобы сократить потери. Для этого Нахимов намеревался атаковать двумя колоннами центр неприятельской боевой линии. Так практиковалось на учениях Черноморского флота летом 1853 года, когда корабли двумя колоннами, с фрегатами позади, «атаковывали» Севастополь. Намереваясь уничтожить противника, вице-адмирал предполагал из колонн одновременно развернуть веером все корабли и поставить их на шпринге в 300–400 метрах от вражеской боевой линии, на расстоянии эффективного огня всех калибров орудий, в том числе и наиболее мощных, еще не опробованных в бою бомбических пушек.
Бомбические пушки, предназначенные для стрельбы не только ядрами, но и разрывными снарядами (бомбами), составляли значительную часть артиллерии русских кораблей, особенно трехдечных. В Российском флоте подобные орудия, единороги, появились еще в XVIII веке, значительно раньше, чем в других флотах. 68-фунтовые пушки Черноморский флот получил вместе с заказанными в Англии пароходами; затем на отечественных заводах было налажено производство своих аналогичных орудий. По инициативе В. А. Корнилова они с 40-х годов вошли в состав вооружения нижних деков новых линейных кораблей. Наряду с ними на вооружении сохранялись и единороги. В Синопском сражении орудиям, стреляющим разрывными снарядами, предстояло пройти первую массовую проверку.