В 5 ч 02 мин, будучи в точке с координатами ш = 44°10′3″, д = 28°57′0″, «Харьков» открыл огонь по нефтехранилищам в порту Констанца, имея курсовой угол 55° правого борта и дистанцию 130 кабельтовых. С третьим залпом «Харькова» открыл огонь и лидер «Москва».
В 5 ч 06 мин по нашим кораблям открыла огонь трехорудийная германская 28-см батарея «Тирпиц».
Первый залп батареи лег с перелетом в 10 кабельтовых от «Москвы», второй залп перелетел всего пять кабельтовых, а третий накрыл «Москву».
Около 5 ч 10 мин командир «ударной группы» решил отходить, и на «Москву» был передан сигнал: «Начать отход. Дым». В 5 ч 12 мин «Москва» начала отход, одновременно ставя дымовую завесу. «Харьков», шедший без паравана, держался кильватерной струи «Москвы». В 5 ч 13 мин «Москва» легла на зигзаг с целью сбить пристрелку немецкой батареи. В это время с «Харькова» заметили на берегу в районе нефтяного терминала большой пожар.
В 5 ч 14 мин «Харьков» прекратил артогонь по берегу, выпустив 154 фугасных снаряда.
В 5 ч 20 мин с обоих лидеров заметили следы двух торпед, идущих к «Москве». Лидер «Харьков» начал сбрасывать глубинные бомбы на месте, где вражеская подводная лодка могла пустить торпеды. В 5 ч 21 мин в середине корпуса «Москвы» раздался взрыв. Столб огня и дыма поднялся на высоту 30 метров.
«Харьков» отвернул и обошел место взрыва с севера. Лидер «Москва» переломился пополам в районе правого котельного кожуха. Носовая часть лидера была оторвана и развернута форштевнем к корме, кормовая часть держалась на плаву. Винты работали в воздухе, дымовая аппаратура продолжала действовать. На палубе находились люди, а зенитное орудие на кормовом мостике вело огонь по появившимся самолетам противника.
«Харьков» поставил дымзавесу и попытался спасти уцелевших моряков, но тут у его борта разорвались два снаряда. Лидер получил повреждения и снизил ход до «малого».
Идя шестиузловой скоростью, к 5 ч 55 мин «Харьков» вышел из зоны досягаемости береговых батарей противника, которые вели огонь с дистанции 32,9 км. Но в 6 ч 43 мин был обнаружен пузырь и след торпеды, шедшей на лидер. «Харьков» повернул на торпеду, и она прошла за кормой. Предполагаемое место неприятельской подводной лодки было обстреляно ныряющими 130-мм снарядами.
В 7 ч 30 мин к «Харькову» присоединился эсминец «Сообразительный» и «начал нести противолодочную и противовоздушную оборону», находясь в голове колонны и маневрируя на большой скорости.
