Ночь на 18 ноября русская эскадра провела в десяти с половиной милях к северо-востоку от Синопского перешейка. К утру установился тихий северо-восточный ветер, который способствовал сближению с неприятелем и не мешал стрельбе.
В 7.15 русская эскадра изменила курс на зюйд-ост и построилась в две колонны; по сигналу отдали рифы у марселей, и корабли увеличили скорость; к 8.00, когда был отдан приказ приготовиться встать на якорь со шпрингом, эскадра давала 6 узлов. В 8.15 эскадра по сигналу Нахимова легла в дрейф и на воду были спущены гребные суда; в 9.30 корабли снялись с дрейфа и продолжили движение прежним курсом, но уменьшили скорость до 2 узлов (позднее, между 10.00 и 12.00, скорость составляла три с половиной — три узла).
В 9.45 последовал сигнал «Приготовиться к бою». Затем команды обедали, а в 10.30 пробили тревогу. Каждое орудие в деках, по сведениям А. Зайончковского, было заряжено двумя ядрами. Готовые к бою корабли около полудня уже обогнули Синопский полуостров. Правую колонну составляли корабли «Императрица Мария» под флагом П. С. Нахимова, «Великий князь Константин» и «Чесма», левую — «Париж» под флагом Ф. М. Новосильского, «Три Святителя» и «Ростислав». Фрегат «Кагул» в начале двенадцатого часа на запрос, держаться ли ему у адмирала, получил положительный ответ. Еще ранее, в одиннадцатом часу, фрегату «Кулевчи» был дан сигнал держаться по левому борту левой колонны.
При подходе эскадры к месту якорной стоянки ветер сохранил прежнее направление, к 13.00 сместился на OST, к 17.00 переменился на восточный и в 21.00 вернулся к ONO. Температура воздуха, в полдень составлявшая 12° по Цельсию, вечером понизилась до 9°.
Туман и моросящий дождь мешали наблюдению, и турки, успокоенные длительным крейсированием русской эскадры, заметили ее слишком поздно, когда она приблизилась на полмили. С кораблей, около полудня вступавших на рейд, видели турецких артиллеристов, бежавших к батареям; но двигавшиеся со скоростью два с половиной узла корабли миновали крайние батареи ранее, чем они открыли огонь. Далее эскадра стала снижать скорость перед постановкой на якорь.
Несмотря на грядущую битву, традиционный распорядок не был нарушен, и в 12.00 на флагманском корабле появился сигнал полдня. Тем самым боевой адмирал демонстрировал твердость и спокойствие перед первыми выстрелами. И выстрелы эти не заставили себя ждать.
Австрийский консульский агент Пиргенц, остававшийся в Синопе, сообщал позднее, что перед началом боя русский адмирал дал знать турецкому адмиралу, что желает вступить в переговоры, и хотел послать шлюпку. Известными отечественными источниками этот факт не подтверждается; возможно, агент принял за сигнал к примирению сигнал полдня. Во всяком случае, турки восприняли появление российской эскадры как нападение и начали сражение.
А. Слейд считал, что турки с завидным терпением ожидали приближения противника; видимо, над капитанами довлел приказ, запрещающий первый выстрел. Сигнал с «Навек-Бахри» с просьбой открыть огонь был проигнорирован, и первый выстрел прогремел с «Низамие», когда русские были на половине дистанции огня. По данным русских документов, первые выстрелы турецкого флагманского корабля «Ауни-Аллах» прозвучали в 12.28; вслед за тем на приближающиеся русские корабли обрушился град ядер и книпелей. Береговая артиллерия запоздала, и только батареи № 5 и 6 продольным огнем препятствовали противнику занять боевую позицию. Задержка на берегу помешала туркам в начале сражения, в самый критический момент, использовать самое действенное их оружие, каленые ядра.
Турецкие артиллеристы первоначально традиционно били по рангоуту и такелажу головных кораблей. Задачей их было повредить оснастку и уменьшить способность неприятеля к маневрированию; кроме того, обычно при постановке на якорь посылали матросов для уборки парусов. Однако в данном случае Осман-паша просчитался.
Русские моряки избежали лишних потерь: они не стали крепить паруса, лишь взяли их на гордени и гитовы. Тем не менее передовые корабли серьезно пострадали. На головном корабле «Императрица Мария» снаряды перебили большую часть такелажа. Поэтому корабль и следовавший за ним «Великий князь Константин» встали на шпринг как шли, курсом норд-вест; затем заняли свои места «Чесма», «Париж», «Три Святителя» и «Ростислав», повернувшись носом к ветру, на норд-ост.
Русская боевая линия располагалась в 150–180 саженях (320–380 метрах) от неприятеля. Корабли эскадры открыли огонь после того, как два передовых встали на шпринг. Начав залпами, русские перешли к батальному огню. В отличие от турок они сразу сосредоточили огневую мощь для стрельбы по корпусам и палубам бомбами, ядрами и картечью, нанося противнику крупные повреждения и потери. Именно первые выстрелы во многом решали исход сражения, ибо затем в густом пороховом дыму становилось сложно наводить орудия. Все же, несмотря на низкий прицел, много русских ядер летело очень высоко, и часть их падала в море за перешейком, на расстоянии более километра.