Адмирал Нахимов внимательно следил за действиями своих кораблей. Отметив отличную боевую работу личного состава линейного корабля «Париж», адмирал приказал поднять ему сигнал с выражением благодарности. Однако выполнить приказание оказалось невозможно, так как на флагманском корабле были перебиты все фалы. Тогда Нахимов под огнем противника отправил шлюпку с адъютантом. Линейный корабль «Ростислав», заняв удачную позицию, открыл огонь по береговой батарее № 6, а также фрегату «Низамие» и 24-пушечному корвету «Фейзи-Меабуд». После сильной перестрелки турецкий корвет выбросился на берег, а неприятельская батарея была уничтожена. «Три Святителя» сражался с 54-пушечным фрегатом «Каиди-Зефер», но в самом разгаре боя на русском корабле один из неприятельских снарядов перебил шпринг, и «Три Святителя» стал разворачиваться по ветру кормой к противнику. В это время неприятельская береговая батарея усилила огонь, нанося серьезные повреждения линейному кораблю. Нужно было во что бы то ни стало восстановить шпринг. Мичман Варницкий бросился в шлюпку, чтобы исправить повреждения, однако вражеским ядром шлюпку разбило. Мичман с матросами перескочил в другую шлюпку и под непрерывным артиллерийским огнем противника исправил шпринг и вернулся на корабль.
На линейном корабле «Ростислав» один из вражеских снарядов попал в батарейную палубу, разорвал орудие и вызвал пожар. Огонь постепенно подбирался к крюйт-камере, где хранился боезапас. Нельзя было терять ни секунды, так как линейному кораблю угрожал взрыв. В этот момент лейтенант Николай Колокольцев бросился в крюйт-камеру, быстро закрыл двери и, пренебрегая опасностью, принялся тушить загоревшийся занавес, прикрывавший люки крюйт-камерного выхода. Самоотверженность Колокольцева спасла корабль. Огромную роль в достижении победы сыграли не только комендоры, но и все другие моряки русской эскадры. Наблюдатели, находившиеся на марсах, следили за корректировкой огня, трюмные матросы и плотники быстро и своевременно заделывали пробоины и исправляли повреждения, подносчики снарядов обеспечивали бесперебойную подачу боезапаса к орудиям, лекари перевязывали раненых на батарейных палубах и т. д. Воодушевление всех моряков во время сражения было исключительным. Раненые отказывались уходить с постов.
Боевые суда турецкой эскадры упорно сопротивлялись, но ни одно из них не могло противостоять удару русских. Немало турецких офицеров во время сражения позорно бежало со своих кораблей (командир парохода «Эрекли» Измаил-бей, командир корвета «Фейзи-Меабуд» Ицет-бей и др.).
Пример им показал главный советник Осман-паши англичанин Адольф Слэйд. Около 14 часов турецкий 22-пушечный пароход «Таиф», на котором находился Мушавер-паша, вырвался из линии турецких судов, терпевших жестокое поражение, и пустился в бегство. Между тем в составе турецкой эскадры только на нем были 2 десятидюймовых бомбических орудия. Пользуясь преимуществом в скорости хода «Таифа», Слэйд сумел уйти от русских кораблей и сообщить в Стамбул о полном истреблении турецкой эскадры. В 15 часов бой закончился. «
В этом сражении турки потеряли 15 из 16 кораблей и свыше 3 тысяч человек убитыми и ранеными (из 4500, участвовавших в сражении); в плен было взято около 200 человек, в том числе Осман-паша, которого ранили в ногу, и командиры двух кораблей. Адмирал Нахимов послал на берег парламентера, чтобы объявить губернатору Синопа, что в отношении города русская эскадра не имеет враждебных намерений, но губернатор и вся администрация давно уже бежали. Потери русской эскадры составили 37 человек убитых и 233 раненых, на кораблях было подбито и выведено из строя 13 орудий, имелись серьезные повреждения в корпусе, такелаже и парусах. «Императрица Мария» получила 60 пробоин, «Ростислав» – 45, «Три Святителя» – 48, «Великий князь Константин» – 44, «Чесма» – 27, «Париж» – 26.
После 16 часов в бухту вошел отряд пароходов под командой вице-адмирала Корнилова. При подходе к Синопу Корнилов заметил пароход «Таиф» и приказал перехватить его. Пароход «Одесса» лег на пересечение курса «Таифа», но последний не принял боя, несмотря на подавляющее превосходство в артиллерии. Русские пароходы вошли на Синопский рейд; на их экипажи была возложена задача отбуксировать русские парусные корабли от горевших турецких судов. Разгром Синопском сражении значительно ослабил морские силы Турции и сорвал ее планы по высадке своих войск на побережье Кавказа.