Сблизившись на дистанцию 1000 сажен, дали залп из баковых мортир «Весты»: обе бомбы упали рядом с кормой противника. Баранов заметил, что неприятель пытается обойти его с севера и отрезать пути отхода к Одессе. Оказаться в ловушке Баранов, конечно, не хотел. На полном ходу он стал отходить от берега, стараясь удерживать противника за кормой. С максимальной скорострельностью по нему вели огонь все три кормовые мортиры и одно 9-фунтовое нарезное орудие. Противник стремился выйти «Весте» на траверз. Почти два часа продолжалась перестрелка. Благодаря успешному маневрированию «Весты» только два снаряда достигли цели: один угодил в правый борт, вдавив его чуть выше ватерлинии, другой сделал пробоину чуть ниже ватерлинии в левом борту. Остальные снаряды ложились близко, но никакого вреда «Весте» не причиняли. Что касается снарядов, выпущенных с «Весты», то о числе попаданий судить было трудно.
Около десяти часов расстояние сократилось до пяти кабельтов. «Веста» по-прежнему отстреливалась, удерживая неприятеля в корме. Один из неприятельских залпов накрыл ее корму: осколками раздробило вельбот, вывело из строя одну кормовую мортиру и разбило оптику автоматического прибора стрельбы. Погибли подполковник морской артиллерии Чернов и прапорщик Яковлев. Лейтенант Кротков и вся прислуга двух шканечных мортир получили ранения. Следующий залп пришелся в борт: на жилой палубе, прямо над кормовой крюйт-камерой, вспыхнул пожар, с которым, однако, быстро справились старший офицер «Весты», лейтенант Владимир Перелешин, мичман Петров и гардемарин Казнаков. Затем противник открыл не только орудийный, но и ружейный огонь, стреляя шрапнелью и картечью на поражение личного состава. В сложившейся обстановке Баранов решил пойти на крайние меры — атаковать противника шестовыми минами. Минному офицеру лейтенанту Михаилу Перелешину он приказал готовить мины к атаке. С «Весты» заметили, что противник перестал стрелять двумя казематными орудиями правого борта: вероятно, они оказались подбитыми. Минут через тридцать снаряд угодил в паровой катер левого борта.
Смертельно ранило Михаила Перелешина. Другим снарядом разрушило минную каюту.
Вскоре мортирная бомба с «Весты» накрыла баковое орудие противника. В ответ казематная пушка противника дала еще один залп в упор по корме «Весты»: осколком перебило штуртрос, и пароход, потеряв на время управляемость, стал к противнику лагом. Неприятель усилил картечный огонь. Мичман Петров был контужен, лейтенант Владимир Перелешин и юнкер Яковлев (брат прапорщика Яковлева) ранены; получил контузию в голову командир. Вместо раненых артиллерийских офицеров к пушкам стали лейтенанты Кротков и Рожественский. Первый из них в бою получил семнадцать ран, но продолжал вести стрельбу. Князь Голицын-Головкин своим телом закрывал Баранова от осколков и картечи. Штурманский офицер штабс-капитан Корольков, невзирая на разрывы снарядов, все время стоял у штурвала и, не отрывая глаз от картушки компаса, занимался своим делом, отдавая команды рулевым. Затем перебило кран парового свистка, через который со свистом начал вырываться пар. На «Весте» сочли повреждения серьезными и решили пойти на таран, а затем взорваться вместе с неприятелем. Но через минуту-две штуртрос удалось исправить, а бомба с «Весты» снесла передний каземат противника: с палубы неприятельского судна повалил густой дым, а вскоре оно стало быстро уходить.
О заключительном этапе боя Баранов докладывал вице-адмиралу Арка-су следующее: «Видя два орудия у себя подбитыми, имея в корпусе две пробоины, двух офицеров убитыми и четырех ранеными и палубу, заваленную осколками и разорванным человеческим мясом, и, что главное, видя, что машинисты и кочегары едва держатся на ногах после пятичасового боя, я не решился энергично преследовать убегавшего быстроходного врага, тем более что он поднял какой-то сигнал и на горизонте стали показываться еще рангоуты судов».