В боевом приказе Нахимов обращал особое внимание на использование артиллерии, которая должна была в кратчайший срок уничтожить неприятельский флот. В приказе содержались практические указания, как вести прицельный огонь, корректировку и переносить огонь на другие цели. Чтобы предотвратить возможность бегства отдельных, особенно паровых, кораблей противника, Нахимов выделил два фрегата и поставил им задачу вести наблюдение за выходами из Синопского рейда и в случае появления турецких кораблей атаковать их.

Придавая большое значение разумной инициативе командире кораблей, Нахимов отказался от детализации плана атаки. Он верил, что хорошо подготовленные командиры, уяснив его тактический замысел, сами смогут принимать решения, исходя из конкретной обстановки.

Разработав план сражения, адмирал Нахимов ознакомил с ним своего младшего флагмана контр-адмирала Ф. М. Новосильского и командиров кораблей. День атаки был назначен на 18 ноября. В этот день 9 часов 30 минут русская эскадра снялась с якоря и в двух кильватерных колоннах, по три линейных корабля в каждой, направилась Синопский рейд. Правую колонну возглавлял Нахимов, Державин свой флаг на корабле «Императрица Мария», левую — контр-адмирал Новосильский, находившийся на линейном корабле «Париж».

В 12 часов 28 минут флагманский корабль противника «Авнилах» первым открыл огонь, вслед за ним открыли огонь по подходящим русским кораблям остальные турецкие корабли и береговые батареи. Турки вели огонь главным образом по рангоуту и парусам, стремясь затруднить движение русских кораблей на рейд и заставить Нахимова отказаться от атаки.

Несмотря на ожесточенный огонь, русские корабли без единой выстрела продолжали сближаться с противником, и только с приходом на назначенные места и постановкой на шпринг открыли ответив огонь. Численное превосходство русской эскадры в артиллерии и прекрасная подготовка русских комендоров сразу же сказалась на результатах сражения. Особенно губительной была стрельба из бомбических пушек, разрывные бомбы которых вызывали на турецких деревянных кораблях большие разрушения и пожары.

Через полчаса после начала боя турецкий флагманский корабль «Авни-Аллах», по которому вел огонь линейный корабль «Императрица Мария», был серьезно поврежден и выброшен на мель. После «Императрица Мария» перенесла огонь на турецкий фрегат «Фазль Аллах», который также загорелся вслед за флагманом.

Не менее успешно действовали и другие русские корабли. Взаимодействуя, они последовательно уничтожали суда неприятеля. В это; время линейный корабль «Париж», которым командовал капитан 2 ранга В. И. Истомин, в течение часа уничтожил два других корабля противника, после чего перенес огонь не береговую батарею. Когда русский корабль «Три Святителя» оказался в тяжелом положении вследствие того, что у него был перебит шпринг и он не мог отвечать сильный огонь турецкой батареи, ему на помощь пришел рядом стоящий «Ростислав», который перенес огонь с фрегата противника на его батарею. Это дало возможность линейному кораблю «Три Святителя» исправить повреждения и продолжить бой.

Стрельба русских кораблей отличалась высокой точностью и большим темпом. За три часа русская эскадра уничтожила 15 кораблей противника и заставила замолчать все его береговые батареи. Только одному пароходу «Таиф», которым командовал английский офицер А. Слейд, советник турецкого флота, удалось спастись. Русские парусные фрегаты, оставленные Нахимовым в подвижном дозоре, пытались преследовать турецкий пароход, но безуспешно. В данном случае капитану Слейду помогла паровая машина, против которой парус оказался бессильным.

Таким образом, Синопское сражение закончилось полной победой русского флота. Турки потеряли 15 кораблей из 16 и около 3 тысяч убитыми и ранеными. В плен были взяты командующий турецкой эскадрой адмирал Осман-паша, три командира корабля и около 200 матросов. Русская эскадра не имела потерь в кораблях, но многие из них получили серьезные повреждения, особенно в рангоуте и парусах. Потери в личном составе составляли 37 убитыми и 233 ранеными. За время боя русская эскадра выпустила по противнику 18 тысяч снарядов.

Подводя итоги, Нахимов писал в приказе от 23 ноября 1853 года: «Истребление турецкого флота в Синопе эскадрою, состоящею под начальством моим, не может не оставить славной страницы в истории Черноморского флота. Изъявляю душевную мою признательность второму флагману как главному моему помощнику и который, идя передовым в своей колонне, так неустрашимо вел ее в бой. Господам командирам кораблей и фрегатов за хладнокровное и точное постановление своих судов по данной диспозиции во время сильного неприятельского огня, равно и за непоколебимую их храбростью продолжение самого дела, обращаюсь с признательностью к офицерам за неустрашимое и точное исполнение их своего долга, благодарю команды, которые дрались как львы».

Выдающаяся победа русского флота в Синопском сражении оказала большое влияние на последующий ход войны. Уничтожение неприятельской эскадры — основного ядра турецкого флота сорвало подготовляющийся турками десант на Кавказское побережье и лишило Турцию возможности вести боевые действия на Черном море.

Синопское сражение представляет собой один из наиболее ярких примеров полного уничтожения неприятельского флота на его собственной базе.

Русский флот обеспечил себе победу при Синопе благодаря смелости и решительности тактического замысла сражения, искусному развертыванию сил и быстрому занятию кораблями назначенных огневых позиций, правильному выбору дистанции боя, с которой эффективно действовала артиллерия всех калибров. В этом сражении впервые широко использовалась бомбическая артиллерия, сыгравшая решающую роль в быстром уничтожении деревянных кораблей противника. Важнейшей причиной победы являлась высокая боевая подготовка личного состава русской эскадры, особенно командиров кораблей и: мендоров, от которых непосредственно зависели искусство маневрирования и точность ведения артиллерийского огня. Взаимная поддержка кораблей и непрерывное управление силами в бою со стороны адмирала Нахимова также во многом способствовали успеху русской эскадры.

Синопское сражение было последним крупным сражением парусных флотов, в котором наряду с парусными кораблями участвовали) первые паровые корабли — пароходы и фрегаты.