На русские корабли обрушивалась огненная лавина снарядов. Теперь неприятель стал бить не по мачтам русских кораблей, а стремился поразить их батарейные палубы. После нескольких залпов турецкие артиллеристы пристрелялись и их снаряды стали весьма удачно накрывать цели.
В ответ на непрерывную пальбу с турецких судов и батарей русские корабли обрушивали по врагу до 200 снарядов в минуту. Четкая и слаженная работа артиллеристов, самоотверженно действовавших на батарейных палубах кораблей, обеспечивала мощный огонь русской артиллерии. Возле каждого орудия дружно действовали орудийные расчеты: один подносил ядра, другой заряжал орудие, третий метко палил по врагу.
Корабль «Императрица Мария», несмотря на страшные повреждения рангоута и такелажа, вошел в бухту и с самого начала сражения сосредоточил огонь по неприятельскому адмиральскому фрегату «Ауни-Аллах». Русские моряки умело действовали под жестоким огнем неприятеля. Лейтенанты П. Прокофьев и Д. Бутаков, отмеченные Нахимовым за «личную храбрость и распорядительность во время боя», умело руководили огнем корабельной артиллерии. Не выдержав обстрела, «Ауни-Аллах», несмотря на поддержку других турецких фрегатов, корветов и батарей, продрейфовал к западной части Синопской бухты и был выброшен на берег. Неприятельская эскадра по истечении получаса сражения потеряла своего флагмана, лишилась основного руководства и управления.
Русский флагманский корабль подверг сильнейшему огню другой турецкий фрегат — «Фазли-Аллах». От метких выстрелов этот фрегат загорелся и, объятый пламенем, сел на мель у стен турецкой крепости.
Корабль «Великий князь Константин» под командованием капитана 2-го ранга Л.А. Ергомышева вел огонь по береговой батарее и 60-пушечному фрегату «Навек-Бахри». Вскоре взрыв заглушил артиллерийскую канонаду. Один из снарядов «Великого князя Константина» попал в пороховой погреб неприятельского фрегата «Навек-Бахри» взлетел на воздух. После этого «Великий князь Константин» сосредоточил огонь по фрегату «Несими-Зефер» и корвету «Неджми-Фешан». Эти корабли после перестрелки выбросились на берег.
Против двух береговых батарей, поддерживавших левый фланг турецкой боевой линии, сражался линейный корабль «Чесма». С каждым залпом русских артиллеристов на батареях увеличивались разрушения. Вскоре обе турецкие батареи были подавлены.
Суда второй колонны нахимовской эскадры противостояли правому флангу боевой линии неприятеля. Корабль «Париж», возглавлявший эту колонну, вел огонь по турецкому корвету «Гюли-Сефид», фрегату «Дамиад» и центральной береговой батарее. Пренебрегая опасностью, матросы во главе со шкипером И. Яковлевым быстро исправляли повреждения и заделывали пробоины. Раненые отказывались уходить с боевых постов. Когда осколок неприятельского снаряда, разорвавшегося на юте, ранил в лицо штурмана С. Родионова, охранявшего кормовой флаг корабля, он не покинул своего поста и продолжал стойко стоять у флага. Только после вторичного тяжелого ранения, когда вражеским снарядом Родионову оторвало руку, его унесли с верхней палубы.
Командир корабля «Париж» В.И. Истомин проявил «примерную неустрашимость и твердость духа, благоразумные, искусные и быстрые распоряжения во время боя». Орудия «Парижа» безостановочно громили неприятельские суда. Через полчаса после начала сражения турецкий корвет «Гюли-Сефид» был уже сильно поврежден. Командир корвета Сали-бей оставил свой корабль. Вскоре на корвете возник пожар, огонь постепенно добирался до крюйт-камеры. В 1 час 15 минут раздался сильный взрыв и «Гюли-Сефид» взлетел на воздух.
Покончив с неприятельским корветом, «Париж» усилил огонь по фрегату «Дамиад». Снаряды русского корабля производили сильные разрушения; фрегат «Дамиад», не выдержав меткой прицельной стрельбы русских комендоров, обрубил цепь и вышел из боевой линии турецкой эскадры. Течением и ветром его отбросило к юго-западному берегу полуострова Турецкая эскадра лишилась еще одного фрегата. После этого «Париж» направил свои орудия против фрегата «Низамие» под флагом адмирала Гуссейн-паши. И этот фрегат, имевший наиболее сильное артиллерийское вооружение из всех кораблей неприятельской эскадры, вскоре был вынужден спустить флаг.
Помимо трех вражеских кораблей моряки Истомина уничтожили центральную береговую батарею турок, которая оказывала сильное противодействие русской эскадре. Нахимов, наблюдая за ходом боя, высоко оценил умелые действия моряков под командованием Истомина «Нельзя было налюбоваться, — доносил Нахимов, — прекрасными и хладнокровно рассчитанными действиями корабля “Париж”. Я приказал изъявить ему свою благодарность во время самого сражения, но не на чем было поднять сигнал: все фалы были перебиты». Адъютант Нахимова, подойдя на шлюпке к борту «Парижа» под обстрелом противника, передал благодарность командующего.