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 со 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.
