К моменту битвы в составе русской эскадры было 6 линкоров и 2 фрегата, а в составе турецкой — 7 фрегатов, 3 корвета, 2 пароходо-фрегата, 2 брига, 2 транспорта. Русские имели 720 орудий, а турки — 510.
Артиллерийский бой начали турецкие корабли. Русские корабли сумели прорваться сквозь заградительный огонь противника, встали на якорь и открыли сокрушительный ответный огонь. Особенно эффективными оказались впервые примененные русскими 76 бомбических пушек, стрелявших не ядрами, а разрывными снарядами. В результате боя, продолжавшегося 4 часа, весь турецкий флот и все батареи из 26 орудий были уничтожены. Турецкий пароход «Таиф» под командованием А. Слейда, английского советника Осман-паши, спасся бегством. Турки потеряли убитыми и утонувшими свыше 3 тыс. чел., около 200 чел. попали в плен. Часть пленных, в основном раненых, свезли на берег, что вызвало благодарность турок. В результате сражения турки потеряли 10 боевых кораблей, 1 пароход, 2 транспорта; были потоплены также 2 торговых судна и шхуна.
В русском плену оказался и сам главнокомандующий — Осман-паша. Его, брошенного своими матросами, спасли с горящего флагмана русские моряки. Когда Нахимов спросил у Осман-паши, есть ли у него просьбы, тот ответил: «Чтобы спасти меня, ваши матросы рисковали жизнью. Прошу их достойно наградить». Кроме вице-адмирала, в плен попали и три командира кораблей. Русские потеряли 37 чел. убитыми и 235 ранеными. Победой в Синопской бухте русский флот получил полное господство в Черном море и сорвал планы высадки десанта турок на Кавказе. За эту победу Нахимова удостоили звания вице-адмирала и ордена Святого Георгия 2-й степени. В именном рескрипте на имя Нахимова Николай I написал следующие слова: «Истреблением турецкой эскадры вы украсили летопись русского флота новою победою, которая навсегда останется памятной в морской истории».
Однако разгром турецкого флота явился поводом к вступлению в конфликт Англии и Франции, которые ввели свои эскадры в Черное море и высадили десант вблизи болгарского города Варна. В марте 1854 г. в Стамбуле был подписан наступательный военный договор Англии, Франции и Турции против России (в январе 1855 г. к коалиции присоединилось и Сардинское королевство). В апреле 1854 г. союзная эскадра бомбардировала Одессу, а в сентябре 1854 г. союзные войска всадились близ Евпатории.
8 (20) сентября 1854 г. русская армия под командованием А. С. Меншикова потерпела поражение у реки Альма. Казалось, что путь на Севастополь открыт. В связи с возросшей угрозой захвата Севастополя русское командование приняло решение затопить большую часть Черноморского флота у входа в большую бухту города, чтобы воспрепятствовать входу туда вражеских кораблей.
Этот приказ отдал командующий русской армией в Крыму князь А. С. Меншиков. Вице-адмирал Корнилов предложил свое решение: выйти в море и дать решительное сражение неприятелю, чтобы если уж и не совсем разбить его, то по крайней мере обессилить настолько, чтобы он не мог начать осаду города. Меншиков, вполуха выслушав моряка, повторил свой приказ о затоплении кораблей. Адмирал отказался. Меншиков вспылил: «Раз так, поезжайте в Николаев к месту своего служения!» Видя, что князь непоколебим, Корнилов вскричал: «То, к чему вы меня принуждаете, — самоубийство! Но чтобы я оставил Севастополь, окруженный неприятелями, — невозможно! Я готов повиноваться!» На следующий день Корнилов отдал приказ затопить корабли. Свое выступление на совете командиров кораблей Черноморского флота Корнилов закончил словами: «Москва горела, но Русь от этого не погибла, напротив — стала сильнее! Бог милостив! Помолимся ему и не допустим врага покорить себя».
В сентябре 1854 г. Корнилов был назначен начальником обороны города, которая продолжалась 349 дней с 13 сентября 1854 года до 28 августа (8 сентября) 1855 года. П. С. Нахимов, руководивший обороной Южной стороны, добровольно подчинился адмиралу. И именно благодаря Корнилову, его энергии, опыту и знаниям, в городе была создана глубоко-эшелонированная оборонительная линия, состоящая из семи бастионов, вооруженной 610 орудиями, с гарнизоном, распределенным по дистанциям и готовым встретить неприятеля во всеоружии, поскольку солдаты и матросы Севастополя, также как и адмирал, считали: «Отступать нам некуда, позади нас море, впереди — неприятель». Корнилов отдал короткий, но эмоциональный приказ, дошедший до сердца каждого севастопольца: «Братцы, царь рассчитывает на нас. Мы защищаем Севастополь. О сдаче не может быть и речи. Отступления не будет. Кто прикажет отступать, того колите. Я прикажу отступать — заколите меня».