В результате сражения турки потеряли 10 боевых кораблей, пароход, 2 транспорта; были потоплены также 2 торговых судна и шхуна. Потери личного состава определяли в 3 тысячи человек. В воспоминаниях Осман-паши, очевидно, допущена опечатка и указано 300 погибших и 1500 бежавших. В плен попали, кроме вице-адмирала и 3 командиров кораблей, еще 180 нижних чинов. Турки лишились 500 орудий; резерва артиллерии и экипажей у них не было. По другим подсчетам, турецкие потери в моряках вместе с десантом доходили до 4 тысяч.
Потери русской эскадры в людях составили 38 убитых и 210 раненых. На кораблях было подбито 13 орудий и десяток станков. Повреждения кораблей, особенно в рангоуте и такелаже, оказались серьезнее. По расчетам, на ремонт кораблей «Три Святителя» требовалось два месяца, «Императрица Мария», «Великий князь Константин» и «Ростислав» — по шесть недель, «Париж» и «Чесма» — по три недели. Но этот подсчет производили после возвращения в Севастополь. Пока же требовалось быстрее восстановить корабли для опасного перехода по бурному осеннему морю. Следовало торопиться. Вырвавшийся из Синопа «Таиф» наверняка спешил в Константинополь, и можно было ожидать появления сильной англо-французской эскадры. Не мог исключить Нахимов и совместного нападения «Таифа» с другими пароходами, о которых вице-адмиралу было известно до сражения. Наконец, и время года торопило возвращаться в Севастополь, пока ноябрьская погода не ухудшилась окончательно.
Сразу же после боя моряки приступили к заделке подводных пробоин, ремонту парусов и рангоута. Часть кораблей не была в состоянии идти самостоятельно, а лишь на буксире пароходов. В 16 00 19 ноября к Синопу прибыл пароход «Громоносец». Его приход облегчал буксировку поврежденных кораблей. 20 ноября ремонт завершился, и эскадра направилась к Севастополю. «Императрицу Марию» буксировал пароход «Крым», конвоируемый фрегатами, «Великий князь Константин» под флагом Нахимова вел пароход «Одесса», «Три Святителя» — пароход «Херсонес», а «Ростислав» — пароход «Громоносец»; «Париж» и «Чесма» шли самостоятельно. Несмотря на ветер и волнение, 22 ноября все корабли прибыли на Севастопольский рейд.
Перед выходом Нахимов послал на «Громоносце» письмо, адресованное австрийскому консулу, ибо турецкие власти еще не появились. Вице-адмирал оправдывал свои действия необходимостью уничтожить корабли, направлявшиеся для возбуждения подданных России, и утверждал, что город пострадал главным образом от обломков турецких судов. Письмо он завершил следующими словами:
«…Теперь я покидаю этот порт и обращаюсь к Вам, как к представителю дружественной нации, рассчитывая на Ваши услуги, чтобы объяснить городским властям, что Императорская эскадра не имела никакого враждебного намерения ни против города, ни против порта Синоп».
A. C. Меншиков не был доволен текстом письма, которое Нахимов оставил в Синопе; он писал 21 ноября Нессельроде: «Я хотел бы видеть его иначе редактированным, но дело уже сделано». Меншиков был уверен, что вмешательство великих держав в войну неминуемо.
П. С. Нахимов, покидая Синоп, также знал, что никакие письма не изменят ситуацию, ибо почти неизбежным становилось вступление флота союзников на Черное море. Победителя турок удостоили ордена Святого Георгия II степени. Награды получили другие участники сражения. Победу широко отмечали в России. Но вице-адмирала не радовала награда: он переживал тот факт, что становился виновником грядущей войны.
20 ноября «Таиф» прибыл в Константинополь. Сообщение о Синопском разгроме вызвало растерянность турецкого правительства, которое первоначально намеревалось послать в море линейные корабли и тем успокоить возмущение жителей столицы, начавших беспорядки. Английский посол отговорил диван от этой авантюры; он рассчитывал на вовлечение в боевые действия союзных сил и 22 ноября писал в Лондон, что не видит, как можно избежать вступления англо-французской эскадры на Черное море.