Около полудня 18 ноября пароходы подошли к Синопскому полуострову. Через перешеек русские моряки видели мачты, пароходный дым, Андреевские флаги, затем услышали гром выстрелов. Заметив русские флаги, В. А. Корнилов приказал поднять свой флаг на «Одессе». С пароходов видели всплески от ядер, перелетавших через перешеек на северную сторону. В 13.07 с «Одессы» рассмотрели крайние корабли левой колонны, а вскоре — и бегущий «Таиф». В свою очередь, с батареи № 1 заметили русские пароходы и обстреляли их, но из-за большой дистанции безрезультатно.
На «Императрице Марии» увидели «Одессу» в исходе пятнадцатого часа, и Нахимов приказал сделать сигнал пароходу приблизиться к адмиралу, но сигнал не был замечен, и Корнилов направился к месту боя «Таифа» с фрегатами. С турецкого парохода также обнаружили «Одессу», и «Таиф» направился к ней; очевидно, его командир рассчитывал на превосходство в артиллерии и скорости. Корабль располагал закрытой батареей и был вооружен 2 10-дюймовыми, 4 36-фунтовыми и 16 24-фунтовыми орудиями против 2 10-дюймовых и 4 24-фунтовых пушкокаронад «Одессы». Вооруженный пакетбот имел скорость восемь с половиной узлов против десяти узлов турецкого корабля. Однако, когда появились «Крым» и «Херсонес», командир «Таифа» решил уклониться от боя и взял курс на Трапезунд. Корнилов вновь увлекся погоней, подняв на «Одессе» сигнал «Взять неприятеля в два огня», и пароходы пошли наперерез неприятелю. «Одесса» шла под всеми парами и парусами; сблизившись с противником на пушечный выстрел, русские моряки открыли огонь.
Фрегатам Корнилов приказал вернуться к флоту. «Кагул» и «Кулевчи» в 14.00 легли на курс SW, чтобы не удаляться от завершающих сражение кораблей и оказать им при необходимости помощь. Повернув оверштаг на правый галс, «Кулевчи» в 14.37 подошел к эскадре и лег в дрейф на левый галс; в 14 47 по сигналу Нахимова «Оказать помощь поврежденному кораблю» фрегат направился к «Трем Святителям», но, заметив, что на «Императрице Марии» мачта близка к падению, встал под кормой корабля и в 14.53 открыл огонь по турецким фрегатам.
«Одесса» вступила в бой против сильнейшего противника одна, ибо отставшие два других парохода виднелись на расстоянии дальнего сигнала. Тем не менее, хотя команды не успели еще получить достаточную подготовку после переоснащения пароходофрегата из пакетбота, а артиллерия страдала от технических недостатков, вице-адмирал стремился сблизиться с «Таифом» на картечный выстрел в надежде абордировать противника при поддержке приближающегося «Крыма», в 14.45 открывшего огонь. «Одесса» стреляла из бомбической пушки, затем из пушкокаронад; «Крым» и «Херсонес» — из носовых орудий. Снаряды последних цели не достигали. Погоня продолжалась более часа, причем турецкие ядра из бомбических пушек перелетали через пароход. Одно из 24-фунтовых ядер около 14.50 перебило железную шлюпбалку, пробило катер, оторвало ногу унтер-офицеру и разбило стойку штурвала. Повреждение штурвала на время лишило «Одессу» управления, что позволило увести «Таиф» в сторону Трапезунда. По сообщениям из Константинополя, в пароходофрегат попало много ядер и часть его экипажа была убита или ранена. Начавшийся дождь и туман закрыл «Таиф», а когда прояснилось, пароход оказался вне выстрелов. Корнилов решил идти на помощь сражающейся эскадре. Пароходы прибыли своевременно, чтобы принять участие в последнем акте синопской драмы.
К этому времени, около 16.00, сложилась следующая обстановка: фрегат «Ауни-Аллах» и корвет «Фейзи-Меабуд» стояли на мели у батареи № 6, восточнее к мели приткнулись фрегаты «Низамие», «Дамиад», «Каиди-Зефер», далее виднелись пароход «Эрекли» и вблизи него — мачты двух затонувших торговых судов; под батареей № 5 стоял корвет «Неджми-Фешан», у турецкого предместья — «Фазли-Аллах», а у греческого — «Несими-Зефер».
Между 15.00 и 16.00 корабли «Париж», «Три Святителя», «Ростислав», «Императрица Мария», фрегат «Кулевчи» продолжали стрелять, чтобы добить неприятеля. В это время загорелись турецкие суда у берега. Взрывы «Фазли-Аллах», а затем «Неджми-Фешан» вызвали многочисленные пожары в турецкой части города. Жителей охватила паника. Еще в начале сражения губернатор Синопа Хуссейн-паша бежал на заранее приготовленных лошадях; его примеру последовали жители-мусульмане, и остались лишь греки, считавшие русских друзьями. Пожары никто не тушил. Часть турецких экипажей спасалась на берег, а оставшиеся на борту покорились участи и даже не думали спустить флаги, что символизировало продолжение сопротивления. Только на «Несими-Зефер» турки спустили флаг по требованию проезжавшего мимо парламентера.