Кроме эскадры Нахимова, блокировавшей побережье Восточной Анатолии, в море вышла эскадра Корнилова, крейсировавшая у западных берегов Турции. Неприятельских военных кораблей обнаружить ей не удалось, но из опроса команд купеческих судов выяснилось, что англо-французская эскадра продолжала стоять в бухте Безик (Бешик-Керфез), в проливе Дарданеллы, и что 31 октября три больших парохода с войсками вышли из Константинополя к Трапезунду. Корнилов на пароходе «Владимир» направился в Севастополь, приказав контр-адмиралу Федору Михайловичу Новосильскому следовать с эскадрой к Нахимову и передать ему эти известия. Утром 6 ноября Новосильский доложил Нахимову о результатах крейсерства в западной части Черного моря.
После этого эскадра Новосильского, оставив Нахимову линейные корабли «Ростислав» и «Святослав», бриг «Эней» и захватив с собой линейный корабль «Ягудиил» и бриг «Язон» из эскадры Нахимова, направилась в Севастополь. Вице-адмирал Нахимов, стремясь к решительной встрече с турецким флотом, решил проверить полученные сведения. 6 ноября, несмотря на начавшееся волнение, его корабли взяли курс к Синопской бухте. 8 ноября начался сильный шторм. Однако эскадра не потеряла своего курса благодаря искусству флагманского штурмана И.М. Некрасова. Все же после окончания бури адмирал вынужден был отправить в Севастополь для исправлений два корабля – «Храбрый» и «Святослав». 11 ноября Нахимов, всего с тремя 84-пушечными кораблями («Императрица Мария», «Чесма» и «Ростислав»), подошел на две мили к Синопской бухте, где русские моряки действительно обнаружили неприятельские корабли, стоявшие на якоре, но из-за наступившей темноты не смогли определить состав турецкой эскадры.
Синопская бухта является очень удобной гаванью, хорошо защищенной от северных ветров высоким полуостровом Бостепе-Бурун, соединенным с материком узким перешейком. Перед началом Крымской войны в Синопе проживало 10–12 тысяч человек, в основном турки и греки. На берегу бухты располагалось адмиралтейство с хорошими верфями, портовые сооружения, склады, казармы. Турки, находясь под прикрытием береговых батарей и имея двойное превосходство в силах, считали себя в безопасности и не верили в серьезность угрозы со стороны небольшой русской эскадры. Помимо того, они с часу на час ожидали прорыва блокады извне силами огромного англо-французского флота.
В ночь с 8 на 9 ноября начался жестокий шторм, из-за которого Нахимову и на следующий день не удалось произвести подробную разведку Синопской бухты.
10 ноября шторм утих, но на всех кораблях ветром были порваны многие паруса, а на линейных кораблях «Святослав» и «Храбрый» и на фрегате «Кагул» повреждения оказались настолько серьезными, что понадобился срочный ремонт. Вечером 10 ноября они ушли в Севастополь для ремонта, а пароход «Бессарабия» – за углем.
На следующий день русская эскадра – линейные корабли «Императрица Мария», «Чесма», «Ростислав» и бриг «Эней» – вновь подошла к Синопской бухте и обнаружила на рейде под защитой шести береговых батарей стоявшую на якоре турецкую эскадру в составе семи фрегатов, трех корветов, двух пароходов, двух военных транспортов и нескольких торговых судов. Силы турок явно превосходили силы, имевшиеся у Нахимова, у которого насчитывалось 252 пушки (у противника – 476 на кораблях и 44 на береговых батареях). Это были укрывшиеся от шторма корабли эскадры Осман-паши, шедшие к кавказскому побережью для участия в высадке десантов в районе Сухума, которые в середине ноября, согласно расчетам турок, должны были содействовать наступлению турецких сухопутных войск на Кавказе. Кроме самого Османа, на эскадре находился его главный советник, англичанин А. Слэйд, и второй флагман, контр-адмирал Гуссейн-паша.
Нахимов установил блокаду Синопской бухты и отправил в Севастополь посыльное судно бриг «Эней» с донесением об обнаружении и блокировании противника. В нем он писал Меншикову: «По обозрении отряда турецких судов, расположенных в Синопе под защитою 6 береговых батарей, я решился с 84-пушечными кораблями «Императрица Мария», «Чесма» и «Ростислав» тесно блокировать этот порт, поджидая из Севастополя корабли «Святослав» и «Храбрый» <…> дабы вместе с ними атаковать неприятеля». Корабли «Императрица Мария», «Чесма», «Ростислав» встали у входа в бухту, закрыв собой выход. Фрегат «Кагул» занял пост для наблюдения в нескольких милях от нее.
16 ноября к Нахимову присоединилась эскадра Ф.М. Новосильского (линейные корабли «Париж», «Великий князь Константин», «Три Святителя»), а немного позже прибыли еще фрегаты «Кагул» и «Кулевчи». Теперь Нахимов имел в своем распоряжении эскадру из восьми боевых кораблей с 720 пушками на борту. Таким образом, по числу орудий русская эскадра превзошла противника.
Поскольку турецкая эскадра в открытом море могла быть усилена кораблями союзного англо-французского флота, Нахимов решил атаковать и разгромить ее непосредственно в базе.