Нахимов решил произвести атаку только кораблями в строю двух колонн с последующим развертыванием от середины в обе стороны и постановкой кораблей на якорь также в одну линию (против каждых трех турецких судов становились два русских корабля). Два фрегата должны были оставаться под парусами для наблюдения за неприятельскими пароходами, которые, как не сомневался Нахимов, «вступят под пары и будут вредить нашим судам по выбору своему». Подход к неприятельской линии в строю двух колонн значительно ускорял сближение и развертывание русской эскадры, вместе с тем сокращая время пребывания ее под огнем турецких судов и береговых батарей до момента открытия своего огня. Правую колонну в составе кораблей «Императрица Мария», «Великий князь Константин» и «Чесма» должен вести Нахимов, левую колонну – «Париж», «Три святителя» и «Ростислав» – Новосильский. Таким образом Нахимов выводил флагманский корабль в центр боевого порядка против турецкого флагмана.
18 (30) ноября в 9 часов 30 минут утра на «Императрице Марии» взвился сигнал: «Сняться с дрейфа». Под дождем, при юго-восточном шквалистом ветре эскадра в строю двух колонн шла в Синопскую бухту. В 11 часов на кораблях пробили тревогу. Все было готово. Ждали сигнала. Наконец на флагманском корабле появился сигнал: адмирал показывал «полдень». Этот сигнал в виду у неприятеля, когда с секунды на секунду должен был раздаться первый выстрел, когда напряжение всех чувств достигает высшей степени, чтобы разрядиться во всепоглощающей боевой деятельности, свидетельствовал о полном спокойствии адмирала, о твердой уверенности в победе.
А в это время турецкие артиллеристы бежали к береговым батареям, а на судах турецкой эскадры поднялась суматоха: появление в бухте давно обнаруженной русской эскадры было… неожиданным. Но через полчаса турецкий флагманский фрегат «Ауни-Аллах» открыл огонь, и на подходившие русские корабли сразу обрушился металлический шквал со всех судов и четырех береговых батарей неприятеля. Под градом сыпавшихся на нее снарядов русская эскадра развернулась в боевую линию, как требовала диспозиция, в 150–180 саженях от первой линии неприятеля.
Головной корабль правой колонны «Императрица Мария» под командованием капитана 2 ранга П. И. Барановского, получивший при сближении серьезные повреждения в рангоуте и такелаже, первый бросил якорь в 150 саженях против турецкого флагмана, показав таким образом места остальных кораблей по диспозиции. Почти одновременно стал на якорь головной корабль левой колонны «Париж» под командованием капитана 1 ранга В. И. Истомина. Вслед за ними заняли свои места в боевом порядке остальные корабли. С этого момента исчезло первое преимущество турецкой эскадры – возможность безнаказанно обстреливать русские корабли при подходе и развертывании. Наступил этап боевого столкновения, когда успех решается искусством артиллеристов и силой огня. Теперь и выявились в полной мере замечательные качества русских матросов и разрушительная сила артиллерии русских кораблей.
Через полчаса боя огонь «Императрицы Марии» заставил турецкого флагмана выйти из боевой линии и выброситься на берег. Вскоре артиллеристы Барановского принудили фрегат «Фазли-Аллах» последовать примеру своего флагмана и перенесли огонь на центральную береговую батарею № 5, поддерживая в то же время своих товарищей на «Париже».
Но замечательная работа артиллеристов «Парижа» уже привела турецкий фрегат «Дамиад» к необходимости выброситься на берег, а корвет «Гюпи-Сефид» был взорван их огнем. К двум часам дня самый мощный фрегат «Низамие», объятый пламенем, бросился к берегу. Тогда огонь «Парижа» был перенесен на батарею № 5, которая вскоре и замолчала. Внимательно следивший за сражением Нахимов не мог «довольно налюбоваться прекрасными и хладнокровно рассчитанными действиями корабля «Париж» и приказал было «изъявить ему благодарность во время самого сражения, но не на чем было поднять сигнал: все фалы были перебиты».
Огонь корабля «Великий князь Константин» (под командованием капитана 2 ранга Л. А. Ергомышева) заставил фрегат «Несеми-Зефер» и корвет «Неджими-Фешан» выброситься на берег, а при поддержке «Чесмы» (командир – капитан 2 ранга В. М. Микрюков) привел к взрыву фрегат «Навен-Батри» и уничтожил береговые батареи № 4 и 3.
Корабль «Три святителя» (командир – капитан 1 ранга К. С. Кутров) в начале боя получил серьезное повреждение – у него перебило шпринг. Корабль повернулся по ветру, чем воспользовался неприятель на береговой батарее № 6, продольный огонь которой сильно повредил рангоут и такелаж корабля. Героическими усилиями мичмана Варницкого и нескольких матросов корабль был поставлен на шпринг, а вскоре под его огнем неприятельский фрегат «Канди-Зефер» бросился к берегу.