18 (30) ноября в 9 часов 30 минут утра на «Императрице Марии» взвился сигнал: «Сняться с дрейфа». Под дождем, при юго-восточном шквалистом ветре эскадра в строю двух колонн шла в Синопскую бухту. В 11 часов на кораблях пробили тревогу. Все было готово. Ждали сигнала. Наконец на флагманском корабле появился сигнал: адмирал показывал «полдень». Этот сигнал в виду у неприятеля, когда с секунды на секунду должен был раздаться первый выстрел, когда напряжение всех чувств достигает высшей степени, чтобы разрядиться во всепоглощающей боевой деятельности, свидетельствовал о полном спокойствии адмирала, о твердой уверенности в победе.
А в это время турецкие артиллеристы бежали к береговым батареям, а на судах турецкой эскадры поднялась суматоха: появление в бухте давно обнаруженной русской эскадры было… неожиданным. Но через полчаса турецкий флагманский фрегат «Ауни-Аллах» открыл огонь, и на подходившие русские корабли сразу обрушился металлический шквал со всех судов и четырех береговых батарей неприятеля. Под градом сыпавшихся на нее снарядов русская эскадра развернулась в боевую линию, как требовала диспозиция, в 150–180 саженях от первой линии неприятеля.
Головной корабль правой колонны «Императрица Мария» под командованием капитана 2 ранга П. И. Барановского, получивший при сближении серьезные повреждения в рангоуте и такелаже, первый бросил якорь в 150 саженях против турецкого флагмана, показав таким образом места остальных кораблей по диспозиции. Почти одновременно стал на якорь головной корабль левой колонны «Париж» под командованием капитана 1 ранга В. И. Истомина. Вслед за ними заняли свои места в боевом порядке остальные корабли. С этого момента исчезло первое преимущество турецкой эскадры – возможность безнаказанно обстреливать русские корабли при подходе и развертывании. Наступил этап боевого столкновения, когда успех решается искусством артиллеристов и силой огня. Теперь и выявились в полной мере замечательные качества русских матросов и разрушительная сила артиллерии русских кораблей.
Через полчаса боя огонь «Императрицы Марии» заставил турецкого флагмана выйти из боевой линии и выброситься на берег. Вскоре артиллеристы Барановского принудили фрегат «Фазли-Аллах» последовать примеру своего флагмана и перенесли огонь на центральную береговую батарею № 5, поддерживая в то же время своих товарищей на «Париже».
Но замечательная работа артиллеристов «Парижа» уже привела турецкий фрегат «Дамиад» к необходимости выброситься на берег, а корвет «Гюпи-Сефид» был взорван их огнем. К двум часам дня самый мощный фрегат «Низамие», объятый пламенем, бросился к берегу. Тогда огонь «Парижа» был перенесен на батарею № 5, которая вскоре и замолчала. Внимательно следивший за сражением Нахимов не мог «довольно налюбоваться прекрасными и хладнокровно рассчитанными действиями корабля «Париж» и приказал было «изъявить ему благодарность во время самого сражения, но не на чем было поднять сигнал: все фалы были перебиты».
Огонь корабля «Великий князь Константин» (под командованием капитана 2 ранга Л. А. Ергомышева) заставил фрегат «Несеми-Зефер» и корвет «Неджими-Фешан» выброситься на берег, а при поддержке «Чесмы» (командир – капитан 2 ранга В. М. Микрюков) привел к взрыву фрегат «Навен-Батри» и уничтожил береговые батареи № 4 и 3.
Корабль «Три святителя» (командир – капитан 1 ранга К. С. Кутров) в начале боя получил серьезное повреждение – у него перебило шпринг. Корабль повернулся по ветру, чем воспользовался неприятель на береговой батарее № 6, продольный огонь которой сильно повредил рангоут и такелаж корабля. Героическими усилиями мичмана Варницкого и нескольких матросов корабль был поставлен на шпринг, а вскоре под его огнем неприятельский фрегат «Канди-Зефер» бросился к берегу.
«Ростислав» под командованием капитана 1 ранга А. Д. Кузнецова зажег корвет «Фейзи-Меобуд», но сам загорелся от турецкой фанаты. Пожар на корабле был вскоре потушен, однако тлеющие части занавеса упали в люк крюйт-камеры. Мичман Колокольцев бросился в люк и затушил обрывки занавеса – корабль был спасен от взрыва. Горящий же «Фейзи-Меобуд» вынужден был выброситься на берег. Тем временем было замечено бедственное положение «Трех святителей» с перебитым шпрингом. Огонь «Ростислава» тотчас обрушился на береговую батарею № 6 и отвлек ее внимание от попавшего в беду товарища. После продолжительной борьбы артиллеристы «Ростислава» заставили умолкнуть эту батарею.
К 4 часам дня сражение прекратилось «за полным истреблением неприятеля». Турецкая эскадра была уничтожена. Выбросившиеся на берег и не зажженные огнем русских кораблей турецкие суда поджигались своими командами, сгорали, взрывались. Береговые батареи были разрушены. Огонь с горящих судов перекинулся на город.