Огонь противника усиливался: на русских кораблях появились первые повреждения, и с каждым залпом турецких орудий они увеличивались. Вскоре на головном корабле «Императрица Мария» была перебита большая часть рангоута и стоячего такелажа. Фалы беспомощно повисли на разбитых реях, только одна нетронутая ванта оставалась у грот-мачты. Русский флагманский корабль, принявший основной удар противника, почти лишился возможности передавать сигналы; связь между русским флагманом и эскадрой была затруднена. Корабль «Константин», шедший вслед за флагманом, также подвергся жестокому обстрелу, приняв правым бортом град ядер, книпелей и картечи.
Несмотря на серьезные повреждения, флагманский корабль Нахимова уверенно продолжал идти вперед, увлекая за собой и другие корабли эскадры. Проходя мимо фрегата «Навек-Бахри», корабль «Императрица Мария» открыл огонь правым бортов. Не останавливаясь, флагман прошел дальше, в глубь бухты, осыпав градом снарядов другой неприятельский фрегат, и стал приближаться к турецкому адмиральскому фрегату «Ауни-Аллах». Подойдя к нему на расстояние около 200 саженей, Нахимов приказал стать на шпринг. Матросы во главе с флаг-штурманом И. Некрасовым мастерски вытравили якорь-цепь, уладили шпринг, и русский адмиральский корабль стал разворачиваться, готовясь открыть огонь всеми орудиями правого борта против турецкого флагмана.
Вслед за «Императрицей Марией» становились, на шпринги и другие корабли нахимовской эскадры. Корабль «В. к. Константин" стал против турецких фрегатов «Навек-Бахри» и «Несими-Зефер»; корабль "Чесма" — против береговой батареи № 4. Корабли левой колонны, равняясь по флагманскому кораблю и следуя за кораблем Новосильского, также занимали места по намеченному плану.
Капитан I ранга Истомин точно привел свой корабль на заранее указанную позицию: «Париж» встал против центра боевой линии турок и начал разворачиваться против фрегата «Дамиад» и корвета «Гюли-Сефид». Шедшие за «Парижем» корабли «Три святителя» н «Рости-слав», развернувшись веером влево от головного корабля. заняли места против правого фланга турецкой эскадры Корабль «Ростислав" встал против мыса Киой-Хисар, на котором была расположена береговая батарея № 6, а "Три святителя" —против неприятельского фрегата «Низамие» и корвета «Фейзи-Меабуд". Учитывая глубину синопского рейда н ост-зюйд-остовый ветер, почти все корабли нахимовской эскадры встали против боевой линии турецкой эскадры на расстоянии 150—200 саженей.
Таким образом, под жестоким обстрелом сотен неприятельских орудий русская эскадра успешно прорвалась на рейд Синопа, и все корабли заняли свои места в точном соответствии с планом атаки. Этим был завершен период тактического развертывания русской эскадры, в котором русские корабли находились в значительно худших условиях, чем неприятель. Успешное осуществление прорыва на синопский рейд блестяще доказало правильность замысла флагмана, построившего эскадру в две колонны. С первых же минут сражения проявились мужество, инициатива и решительность командиров кораблей, смелость, выдержка и прекрасное знание дела всеми офицерами и матросами. Ни ожесточенный огонь противника, ни ветер, самый неблагоприятной для точной постановки кораблей на шпринг, не помешали русским морякам завершить тактическое развертывание эскадры. На синопском рейде между двумя эскадрами разгорелся ожесточенный артиллерийский поединок, который должен был решить исход сражения. Грохот шестисот орудий потряс Синопскую бухту, скрывшуюся в сплошных облаках порохового дыма. «Гром выстрелов, рев ядер, откат орудий, шум людей, стоны раненых — все слилось в один общий адский гвалт. Бой был в разгаре».
На русские корабли обрушивалась огненная лавина неприятельских снарядов. Теперь турки стали бить не по рангоуту русских кораблей, а стремились поразить батарейные палубы. После нескольких залпов противник пристрелялся, и его снаряды стали весьма удачно накрывать цели. На кораблях «Императрица Мария", "Париж», «В. к. Константин» и др. повреждения все увеличивались.
Особенно сильный огонь неприятеля был направлен по флагманскому кораблю Нахимова. С фрегатов «Ауни-Аллах» и «Фазли-Аллах», корветов «Неджми-Фешан» и «Гюди-Сефид» один за другим следовали залпы по «Императрице Марии». Но русский флагман являл собой геройский пример для всей эскадры. Руководя боем и внимательно наблюдая за действиями своих кораблей, адмирал Нахимов восхищался и инициативными решениями командиров, и прекрасными действиями артиллеристов, посылавших по врагу снаряд за снарядом
В ответ на непрерывную пальбу с турецких судов и батарей русские корабли обрушивали на противника до 200 снарядов в минуту. Четкая и слаженная работа комендоров, самоотверженно действовавших на батарейных палубах кораблей под непрерывным обстрелом неприятеля, обеспечивала мощный сокрушительный огонь русской артиллерии. Возле каждого орудия дружно действовала небольшая матросская семья, объединенная общим делом: один подносил картузы и ядра, другой заряжал орудие, третий метко палил по врагу Выстрел! И снова у пушки повторяется четкие, стремительные маневры; эта тщательность и точность, эта привычная хладнокровная и размеренная работа поддерживала в матросах бодрость и уверенность в победе.
На русские корабли градом сыпались неприятельские снаряды, но в батарейных палубах у каждого орудия по-прежнему, в том же строгом порядке двигались люди, подносили снаряды, производили выстрел, и все они знали, что с каждой минутой, с каждым снарядом, выпущенным из русских орудий, ослабляется сопротивление противника.
Прекрасная, невозмутимая смелость артиллеристов— Якова Грибарева и Василия Корчагина, Григория Астафьева и Дмитрия Семенова, Павла Минакова и Алексея Лескотова, и многих, многих других — сочеталась с той незаметной, но ответственной работой, которую делали те, кто находился в трюмах, на марсах, у люков, в кубриках. Так же, как и у орудий, все матросы с рвением исполняли свои обязанности, заделывали пробоины, исправляли повреждения, наносимые огнем неприятельской артиллерии.
Флагманский корабль «Императрица Мария» с самого начала сражения сосредоточил свой огонь по неприятельскому адмиральскому фрегату «Ауни-Аллах». Русские моряки, следуя заветам Ф. Ф Ушакова, понимали, что с поражением флагмана турецкая эскадра лишится основного руководства и будет сильно дезорганизована. Поэтому перед комендорами корабля «Императрица Мария» была поставлена задача парализовать сопротивление турецкого адмиральского фрегата, уничтожить или вывести его из строя.
Матросы и офицеры русского флагманского корабля умело действовали под жестоким огнем неприятельских орудий. Командиры батарейных палуб лейтенанты Петр Прокофьев и Дмитрий Бутаков, отмеченные Нахимовым за "личную храбрость и распорядительность во время боя, при метком и быстром действии их деков», самоотверженно руководили огнем корабельной артиллерии. В батарейных палубах четко и размеренно действовали расчеты орудий, и с каждым залпом корабля "Императрица Мария» адмиральский фрегат Османа-паши получал все новые и новые повреждения.
Турецкая эскадра, однако, не ослабляла своего огня, и на «Императрице Марии» число раненых и убитых увеличивалось. В разгар сражения сильно контузило командира корабля капитана II ранга Барановского, стоявшего на верхней палубе рядом с Нахимовым; прапорщику Павлу Плонскому, находившемуся у флага, неприятельским снарядом оторвало руку; многие матросы были ранены. Однако ничто не нарушало равномерных действий личного состава корабля; комендоры метко целили по неприятельскому флагману, и адмирал Нахимов особо ответил искусные действия кондукторов корпуса морской артиллерии Григория Савина, Алексея Самотоева, Ивана Кондратьева, Петра Верещагина, Василия Стрельникова, Артемия Попова. Благодарности адмирала заслужили также матросы Федор Жемарин, Иван Дмитриев и Андрей Кириллов, которые «находились при доставании ядер из инттюма и носке раненых из деков, что исполняли с особым рвением и смелостью».
Меткий огонь русского флагмана определил участь турецкого фрегата "Ауни-Аллах». Снаряды русского корабля отлично накрывали цель, разрывали палубу, ломали надстройки, выводили из строя английские орудия турецкого фрегата. Не выдержав обстрела, адмирал Осман-паша решил выйти из боя. «Ауни-Аллах», несмотря на поддержку других турецких фрегатов, корветов и мощной батареи № 5, оказался бессильным против русского адмиральского корабля и, отклепав якорь-цепь, продрейфовал к западной части Синопской бухты, где надеялся укрыться от метких выстрелов русских кораблей. Но в тот момент, когда он приходил мимо корабля «Париж». капитан I ранга Искомая вдогонку ему дал прощальный залп, который довершил разгром, начатый флагманским кораблем русской эскадры. «Ауни-Аллах», разбитый и усеянный трупами, был выброшен на берег у мыса Киой-Хисар. Команда турецкого флагманского фрегата, ограбив своего адмирала, бежала на берег. Раненый Осман-паша с развалин своею корабля мог только наблюдать и дальнейшим ходом сражения.
Таким образом, неприятельская эскадра по истечении получаса сражения потеряла своего флагмана, лишилась основного руководства и управления. Последний рейс адмиральского фрегата, на виду у всей турецкой эскадры относимого ветром к берегу, разрушенного и никем неуправляемого, произвел ошеломляющее впечатление на турок и способствовал понижению боеспособности неприятель скол эскадры не менее, чем сотня удачных выстрелов с русских кораблей.