«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.
Парламентера, мичмана Манто, Нахимов послал сказать на берегу, что эскадра прибыла уничтожить только корабли, и потребовать, чтобы с берега не стреляли. Однако мичман в течение часа не нашел ни властей, ни жителей-турок, бежавших из города. Тем временем после 15.00 около часа турецкие батареи продолжали редкую стрельбу калеными ядрами, пока не были подавлены огнем «Ростислава» и «Парижа».
Когда пароходы вернулись к месту сражения, турецкие фрегаты и корветы стояли на мели; часть их горела, и пушки, оставленные заряженными, разряжались, когда до них доходило пламя. Например, около 22.00 ядро попало в капитанскую каюту фрегата «Кулевчи». Опасаясь, что такие выстрелы достигнут русских кораблей, а изменением ветра может нанести эскадру на горящую неприятельскую, Нахимов приказал около 20.00 отводить корабли от берега с помощью гребных судов и пароходов; за ночь эскадра расположилась в полутора милях от берега, на глубине 20–25 саженей (40–50 метров).
Корнилов сделал попытку спасти некоторые корабли противника, чтобы доставить их в Севастополь. Он приказал отвести от берега «Дамиад», покинутый еще в начале сражения офицерами и большинством команды, забравшими гребные суда; на борту еще оставалась сотня турок. Около полуночи пароход «Крым» вывел фрегат на глубокую воду, но буксирный трос оборвался, и фрегат навалился на корабль «Три Святителя», сцепившись с ним бушпритами; потребовалось выслать баркас, чтобы расцепить корабли, после чего сильно поврежденный «Дамиад» (имевший 17 подводных пробоин и много других повреждений) был отведен на мель и сожжен утром 19 ноября.
Пароход «Одесса» пытался спасти фрегат «Несими-Зефер». На его борту было обнаружено около 200 членов экипажа. Раненые с частью здоровых были отправлены на берег, что вызвало благодарность турок. Остальные пленные были перевезены на русские корабли. Подводные повреждения фрегата оказались так велики, что пароход отвел его за черту города и поджег.
Гребные суда с «Кагула», посланные для сожжения корвета «Фейзи-Меабуд», обнаружили на нем и соседнем «Ауни-Аллах» командира корвета, 80 нижних чинов и самого начальника эскадры. Осман-паша был ранен в бою; его ограбили и бросили собственные матросы. После осмотра корвет и фрегат сожгли моряки с «Кагула». Некоторые суда, вероятно, были подожжены самими турками. К полудню на рейде догорали последние корабли. Турецкой эскадры не существовало.