Лишь в 23 часа 05 минут капитан теплохода «Петр Васев» под воздействием настойчивых просьб второго помощника капитана с парохода «Адмирал Нахимов» оторвался от экрана САРП и приказал снизить ход до среднего, хотя дистанция между судами не превышала двух миль. Теплоход «Петр Васев» тем временем продолжал идти прежним курсом, хотя и на экране САРП, и визуально было видно, что пеленг на пароходе «Адмирал Нахимов» практически не меняется. Это означало, что суда должны сойтись в одной точке, где и произойдет столкновение. Необходимо было немедленно действовать, поскольку, во-первых, капитан взял на себя обязательство пропустить «Адмирала Нахимова», хотя фактически не выполнил его, во-вторых, капитан обязан был предпринять «маневр последнего момента», который означает, что каждое судно должно предпринять какие-то действия, чтобы избежать столкновения, если столкновения не избежать при действиях одного судна. Лучшим маневром в сложившейся ситуации было бы положить руль «право на борт» и уйти с пути «Адмирала Нахимова». Менее эффективным, но полезным мог быть немедленный «полный ход назад» в тот момент, когда в 23 часа 05 минут капитан теплохода «Петр Васев» увидел реальное положение вещей. Однако вместо полного заднего хода он уменьшил его с полного до среднего вперед, хотя при такой большой массе судна и груза снизить скорость невозможно в течение нескольких минут. Иначе говоря, гигантское судно на большой скорости двигалось на пароход, где находились сотни людей.
В 23 часа 07 минут, за 5 минут до столкновения, капитан снизил ход до малого, а еще через полминуты дал «стоп». Только в 23 часа 09 минут он дал «малый назад», а через минуту, когда по радиотелефону раздался отчаянный крик второго помощника капитана парохода «Адмирал Нахимов»: «Немедленно работайте назад!», дал «средний» и тут же «полный назад». Но было поздно. Для запуска машины с полного переднего до полного заднего требуется намного больше времени, чем оставалось в реальной ситуации. Винт теплохода «Петр Васев» едва набрал обороты на задний ход, когда произошло столкновение. Нос теплохода почти под прямым углом врезался в правый борт парохода «Адмирал Нахимов». Мощный бульб «Петра Васева» пробил огромную дыру в корпусе «Адмирала Нахимова», которая еще более увеличилась из-за того, что пароход под действием машин стремился вперед, и бульб, вошедший в его корпус, рвал обшивку, распространяя пробоину на соседние отсеки. В считанные секунды вода затопила два отсека судна, в том числе машинное отделение. На пароходе погас свет. Судно начало быстро крениться на правый борт. Была дана команда спускать спасательные средства (плоты и шлюпки), но все произошло так быстро, что большая часть их так и не была спущена на воду и ушла на дно вместе с судном, которое затонуло через 8 минут после столкновения. Особенно тяжелым было положение людей, находившихся во внутренних помещениях судна. В абсолютной темноте, при нарастающем крене, не зная путей эвакуации, многие из них были обречены на гибель. В лучшем положении оказались те, кто в момент катастрофы находился на открытой палубе. Но те из них, кто не умел плавать, а большинство оказалось в воде без спасательных поясов, также погибли.
Когда произошло столкновение, судно находилось в 15 километрах от Новороссийского порта и на расстоянии 3,5 километра от берега. Волнение на море было 3—3,5 балла. Пароход «Адмирал Нахимов» затонул через 7—8 минут. Удалось спасти 836 человек. Для спасательных работ было привлечено 60 плавсредств, 20 вертолетов и 80 водолазов. 4 сентября были подняты тела 116 погибших.
Первый спасательный катер прибыл на место катастрофы через 25 минут после того, как «Адмирал Нахимов» пошел ко дну. Это был лоцманский катер ЛК-90, которым командовал сменный помощник капитана механик В. Беловол. Моторист катера В. Волошин увидел в воде женщину с ребенком. «Спасите его!» — кричала она. Матрос снял с себя спасательный жилет, передал его женщине, подхватил ребенка и перенес его на борт катера, а затем вытащил женщину. Всего в ту ужасную ночь команда катера спасла 84 человека.
146 пассажиров с погибшего «Адмирала Нахимова» спас военный катер с 8 моряками на борту под командованием мичмана А. Гусева.
Мичман, дежуривший у причала, принял звонок как сигнал боевой тревоги: «В 15 километрах от порта терпит бедствие пароход „Адмирал Нахимов“. Нужна помощь…» Через 6 минут пограничный катер уже летел по волнам Цемесской бухты. Еще через 11 минут моряки были на месте. Однако корабля, освещенного яркими огнями, не оказалось. Он затонул. В 800 метрах маячила черная тень сухогруза «Петр Васев», протаранившего пассажирское судно.
То, что увидели пограничники, привело их в замешательство. На волнах среди досок, бочек и другого хлама плавали сотни людей. Одних держали на воде спасательные пояса, других — плотики с мигающими в ночи маячками, третьи плавали сами.