Русские вошли в бухту и сразу попали под огонь артиллерии противника. Осман-паша, надеясь выбить как можно больше матросов врага, приказал сосредоточить огонь не по палубам, а по рангоуту (мачтам и парусам), когда, по его расчетам, там будет много русских моряков, которые должны убирать паруса перед тем, как становиться на якорь. Но русский адмирал был человек опытный, знал, что подобная стрельба – традиционная тактика османов, и заранее велел убирать паруса с мачт прямо с палубы, используя для этого канаты. Кроме того, его корабли стали становиться на якоря, не крепя парусов. Так первые залпы турок принесли минимальные потери и не особенно серьезные разрушения.
Вскоре русская эскадра, подойдя к противнику на 300–400 м, открыла ответный убийственный огонь. Однако и огонь противника усиливался. На русских кораблях появились первые повреждения; флагманский корабль Нахимова «Императрица Мария», принявший основной удар противника, почти лишился возможности передавать сигналы, связь между ним и эскадрой была затруднена. Но, несмотря на это, флагман уверенно продолжал идти вперед и стал приближаться к турецкому адмиральскому фрегату «Ауни-Аллах». Подойдя к нему на расстояние около 400 м, Нахимов приказал стать на якорь. Матросы во главе с штурманом И. Некрасовым мастерски выполнили этот маневр. Вслед за флагманским кораблем П.С. Нахимова становились на якорь и другие корабли.
Под жестоким обстрелом сотен неприятельских орудий русская эскадра успешно прорвалась на рейд Синопа, все корабли заняли свои места в точном соответствии с планом атаки. На рейде между противниками разгорелся ожесточенный артиллерийский поединок. Грохот шестисот орудий потряс бухту, скрывшуюся в сплошных облаках порохового дыма. «Гром выстрелов, рев ядер, откат орудий, шум людей, стоны раненых, – вспоминал участник сражения, – все слилось в один общий адский гвалт».
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.