В 9 час. 30 мин. утра Нахимов поднял сигнал: «Приготовиться к бою и идти на Синопский рейд». В строю двух кильватерных колонн русская эскадра пошла к Синопской бухте. Флагманский корабль Нахимова «Императрица Мария» возглавил правую, наветренную, колонну; в кильватер ему шли линейные корабли «Вел. кн. Константин» и «Чесма». Корабль «Париж» под флагом контр-адмирала Новосильского шел головным в левой колонне; за ним следовали линейные корабли «Три святителя» и «Ростислав». За линейными кораблями шли фрегаты «Кагул» и «Кулевчи».
В 12 час. 28 мин. с турецкого флагманского фрегата «Ауни-Аллах» раздался первый выстрел: адмирал Осман-паша приказывал своей эскадре открыть огонь по русским кораблям, быстро приближавшимся к центральной части Синопского рейда. Орудия неприятельских судов и береговых батарей обрушили свой огонь на эскадру Нахимова. Это был один из ответственнейших моментов боя.
Флагманский корабль Нахимова «Императрица Мария», подойдя к турецкому адмиральскому фрегату «Ауни-Аллах» на расстояние около 400 метров, стал на шпринг. Вслед за флагманским кораблем и другие корабли русской эскадры стали на шпринг в местах, намеченных планом Нахимова. Фрегаты «Кагул» и «Кулевчи» заняли свои места у входа в бухту для наблюдения за пароходами противника. Этап тактического развертывания был завершен.
Став на шпринг, флагманский корабль Нахимова сосредоточил огонь по неприятельскому фрегату «Ауни-Аллах». Адмирал Нахимов, следуя тактическим приемам Ф.Ф. Ушакова, решил прежде всего вывести из строя турецкого флагмана, лишив, таким образом, эскадру противника руководства. Метким огнем артиллеристов «Императрицы Марии» «Ауни-Аллах» был выведен из строя, турки обрубили канаты, и фрегат выбросился на берег. Затем флагманский корабль Нахимова перенес свой огонь на фрегат «Фазли-Аллах», который загорелся и, объятый пламенем, также выбросился на берег.
Артиллерийский огонь линейного корабля «Вел. кн. Константин» в начале боя был направлен против турецкого фрегата «Навек-Бахри». Поддержанный огнем «Чесмы», «Вел. кн. Константин» через 20 минут после открытия огня уничтожил турецкий фрегат. После этого «Вел. кн. Константин» уничтожил еще два неприятельских судна.
Против береговых батарей № 3 и 4, поддерживавших левый фланг турецкой боевой линии, вел огонь линейный корабль «Чесма». В результате меткой и непрерывной стрельбы комендоров «Чесмы» на месте береговых батарей к исходу сражения остались груды земли и железа.
Корабли второй колонны нахимовской эскадры противостояли правому флангу боевой линии турок. Линейный корабль «Париж», которым командовал капитан 1-го ранга В.И. Истомин, через полчаса после начала боя взорвал турецкий корвет «Гюли-Сефид», стоявший рядом с фрегатом Осман-паши и оказывавший ему огневую поддержку против флагманского корабля Нахимова. Уничтожив этот корвет, Истомин оказал непосредственную поддержку своему флагманскому кораблю.
Покончив с неприятельским корветом, «Париж» усилил огонь по фрегату «Дамиад» и береговой батарее № 5. Вскоре фрегат «Дамиад», не выдержав меткой прицельной стрельбы русских комендоров, обрубил якорный канат и вышел из боевой линии турецкой эскадры. Тогда «Париж» направил свой огонь против фрегата «Низамие» и последний в 14 часов также выбросился на берег.
Линейный корабль «Три святителя» в начале боя вел обстрел турецких фрегатов «Каиди-Зефер» и «Низамие», которые при поддержке батареи № 6 вели очень интенсивный ответный огонь. Одним из вражеских снарядов на «Трех святителях» перебило шпринг, и корабль стал разворачиваться по ветру кормой к неприятелю, попав тем самым в тяжелое положение. Под жестоким неприятельским огнем мичман Петр Варницкий с матросами завез новый верп. Русский корабль развернулся левым бортом против неприятеля и с новой силой обрушил на него огонь своих орудий; вскоре 54-пушечный турецкий фрегат «Каиди-Зефер» вышел из боевой линии и стал на мель.
Первые выстрелы линейного корабля «Ростислав» были направлены против корвета «Фейзи-Меабуд» и береговой батареи № 6. Когда командир «Ростислава» капитан 1-го ранга А.Д. Кузнецов заметил, что линейный корабль «Три святителя» попал в критическое положение, он сосредоточил огонь своего линейного корабля на береговой батарее. Благодаря своевременной поддержке «Ростислава» батарея № 6, до этого наносившая большой вред линейному кораблю «Три святителя», значительно ослабила свой огонь, и это дало возможность команде завести новый шпринг.
В результате меткого огня «Ростислава» корвет «Фейзи-Меабуд» выбросился на берег. Этот корвет был одним из последних судов турецкой эскадры, оказывавших еще сопротивление русским кораблям.