Благодаря своевременной поддержке «Ростислава" на корабле «Три святителя» в это время успели исправить шпринг, а батарея № 6, до этого сильно вредившая «Трем святителям», значительно ослабила свой огонь.
Турки, взбешенные эффективной помощью, оказанной «Ростиславом» кораблю «Три святителя», сосредоточили сильный огонь по «Ростиславу», и один из неприятельских снарядов, разорвавшись в батарейной палубе русского корабля, разнес на куски одно орудие, сильно разбил палубу, зажег кокора и занавес, навешенный над люком, через который шла подача картузов нижнего дека. Около 40 русских моряков было ранено взрывом.
Горящие куски тента, подожженные вражеским снарядом, начали попадать в крюйткамерный выход, это грозило взрывом крюйт-камеры. Кораблю угрожала страшная опасность. В этот момент мичман Николай Колокольцов бросился в крюйт-камеру и, пренебрегая опасностью, хладнокровно начал тушить пожар. Быстро закрыв за собой двери, он выбросил горящие хлопья, накрыл люки крюйткамерного выхода и ликвидировал опасность. Корабль был спасен. «За особенное присутствие духа и отважность, оказанные им во время боя», адмирал Нахимов представил мичмана Колокольцова к боевой награде.
От сильного огня неприятельских судов и береговой батареи на «Ростиславе» было много раненых. В кубрик, где находился штаб-лекарь А. Белоусов, приносили все новых матросов с батарейных палуб. Однако огонь "Ростислава» не ослабевал. «Корабль этот, — писал Нахимов, — при значительном числе раненых продолжал действовать так же хорошо, как и при начале боя». В результате метких попаданий русских комендоров турецкий фрегат «Низамие», являвшийся главной опорой неприятеля на его правом фланге, заметно снизил эффективность своего огня. В это время корабль Истомина «Париж» после перестрелки с «Дамиадом» стал разворачиваться на шпринге, чтобы направить огонь всех своих бортовых орудий против «Низамие». Заметив это, капитан I ранга Кузнецов решил перенести огонь своего корабля с «Низамие» на турецкий корвет «Фейзи-Меабуд» и батарею № б, продолжавшую обстреливать корабль «Три святителя». «Ростислав», оставив фрегат кораблю «Париж», сосредоточил свой огонь на корвете и на батарее № 6.
Сражение продолжалось. Гром артиллерийской канонады по-прежнему потрясал Синопскую бухту, и громадные языки пламени тут и там прорывались сквозь сплошную завесу дыма. Ежеминутно сотни снарядов пронизывали воздух; бухта кипела от горящих обломков, от фонтанов и всплесков. Не умолкали пушки и русских и турецких кораблей, однако успех нахимовской эскадры уже определился.
К исходу первого часа боевая линия турецкой эскадры была окончательно расстроена. Четыре больших боевых судна турок (фрегаты «Ауни-Аллах», «Несими-Зефер», «Дамиад", «Каиди-Зефер") выбросились на берег. От фрегата «Навек-Бахри» и корвета «Гюли-Сефид», взорванных меткими выстрелами русских кораблей, остались лишь обломки. «Посредине рейда, как громадные кресты над могилами, торчат мачты потопленного фрегата с реями поперек". Около 300 неприятельских орудий было выведено из строя.
На уцелевших турецких судах команды с трудом успевали заделывать пробоины и исправлять повреждения. «Железным штормом» назвал Слейд огонь русской артиллерии, уничтожавшей в Синопской бухте батареи и корабли турецкого флота.
Однако турки продолжали оказывать сопротивление, рассчитывая на помощь из Босфора в самые последние минуты сражения. Против русских кораблей вели огонь неприятельские фрегаты «Фазли-Аллах", «Низамие», корветы «Фейзи-Меабуд», «Неджми-Фешан», пароходы "Таиф», «Эрекли», береговые батареи № 3, 5, 6.
Несмотря на то, что русские корабли начинали артиллерийский поединок с турецкой эскадрой, уже будучи частично поврежденными обстрелом турецкой артиллерии при прорыве на рейд, они полностью сохранили свою боеспособность. Первый же час сражения показал, что диспозиция, разработанная до боя, отлично обеспечивала наиболее целесообразное использование артиллерийских средств русской эскадры. Русские корабли обстреливали противника и бомбическими 68-фунтовыми орудиями и 36- и 24-фунтовыми орудиями. Сообразуясь с расстоянием до цели, русские артиллеристы применяли и гранаты, и брандскугели, и картечь. Правильное расположение русских кораблей способствовало организации взаимодействия между ними, удобному выбору целей и не давало возможности противнику скрыться от меткого огня русской артиллерии.
На кораблях был точно выполнен приказ флагмана о выделении офицера на саллинг для корректировки артиллерийского огня, и первые же выстрелы, произведенные с русских кораблей, показали, что многолетние тренировки черноморских моряков не прошли даром: комендоры эскадры вели огонь по противнику так же быстро, слаженно и метко, как на практических учениях.
В ходе сражения полностью проявились инициатива, находчивость и решительность командиров русских кораблей. Наиболее ярким свидетельством их высокого мастерства была организация взаимной поддержки в бою. Капитан I ранга Истомин, увидев, что флагманский корабль Нахимова находится под жестоким огнем нескольких турецких судов, избрал основной мишенью для орудий «Парижа» не правый фланг турецкой боевой линии, против которого он должен был действовать по диспозиции, а корвет «Гюли-Сефид», стоявший против "Императрицы Марии». Только после того, как положение русского флагманского корабля улучшилось в результате уничтожения и выхода из строя трех неприятельских судов («Навек-Бахри», «Гюлн-Сефид», «Ауни-Аллах»), Истомин перенес огонь на правый фланг противника. Так же инициативно действовали и Кузнецов, и Микрюков, и другие командиры русских кораблей, перенося огонь своих орудий туда, куда подсказывала обстановка. В условиях быстротечного боя командиры кораблей моментально улавливали все перипетии сражения, мгновенно реагировали на них и принимали правильные решения.
Непосредственное руководство действиями русский эскадры осуществлялось адмиралом Нахимовым в течение всего сражения. Управление сражением отличалось полным соответствием обстановке, уверенностью и четкостью. После ранения капитана II ранга Барановского непосредственными исполнителями распоряжений флагмана являлись капитан Иван Некрасов — флаг-штурман эскадры, лейтенант Феофан Острено — старший адъютант адмирала и капитан Яков Морозов—старший артиллерийский офицер эскадры. Капитан Некрасов, выполняя приказы адмирала, «во время боя оказал примерную храбрость и мужество и под сильными неприятельскими выстрелами завез верп как нельзя было лучше желать». Феофану Острено был вручен план сражения. «Я передал ему, — писал Нахимов, — мой план сражения, и он бы довел его до конца, если б меня не стало». Внимательное и непрерывное наблюдение за турецкими и русскими кораблями, осуществляемое помощниками Нахимова, позволяло адмиралу непосредственно руководить сраженнем и в то же время направлять огонь флагманского корабля.
К началу второго часа сражения расположение русских кораблей не изменилось. Каждый корабль продолжал непрерывный обстрел противника, по-прежнему оказывавшего ожесточенное сопротивление.
Корабль «Чесмаз" после уничтожения неприятельской береговой батареи № 4 меткими прицельными выстрелами продолжал обстрел батареи № 3. Хотя эта батарея находилась на значительном отдалении от центра сражения, тем не менее каленые ядра ее орудий достигали русских кораблей первой колонны. Решение Микрюкова о сосредоточении всего огня именно против этой батареи было исключительно правильно: своим огнем «Чесма» надежно прикрывала корабли «Императрица Мария» и «Константин», которые в это время успешно завершали разгром левого фланга боевой линии турецкой эскадры.
Комендоры «Чесмы» с большим искусством и мастерством действовали против турецких позиций. От меткого и непрерывного бомбардирования турецкая батарея теряла одно орудие за другим. С «Чесмы» было видно, как осыпаются амбразуры, заваливаются траверзы и блиндажи на неприятельской батарее. Все реже и реже следуют ответные выстрелы противника, и, наконец, на месте батареи осталась груда земли и железа.
Разгром береговых укреплений усилил панику и в городе, и на неприятельской эскадре. Губернатор Синопа Гуссейн-ранзи-паша и комендант береговых батарей постыдно бежали в самом разгаре сражения. Вслед за ними устремились и турецкие солдаты, обслуживавшие батареи.
Командующий эскадрой высоко оценил славную деятельность корабля «Чесма» в единоборстве с береговыми укреплениями неприятеля. Многие моряки «Чесмы» во главе с капитаном II ранга Микрюковым были представлены к наградам «за отличную храбрость и мужество во время боя и срытие двух батарей».
После того как фрегат «Навек-Бахри» был взорван и фрегат «Несими-3ефер» выбросился на мель, левый фланг турецкой боевой линии замыкался корветом «Неджми-Фешан». Этот корвет не спускал флага и продолжал непрерывно обстреливать русские корабли, что вынудило Ергомышева избрать его главной мишенью для орудий правого борта «Константина». Сразу же после выхода из строя «Несими-Зефера» корабль «Константин» перенес весь огонь на «Неджми-Фешан», и с каждым выстрелом русского корабля на неприятельском судне увеличивалась разрушения. Несколько бомб, пронизав борт турецкого корвета, разорвались во внутренних помещениях и вызвали пожар. Еще через несколько минут снаряд, пущенный с «Константина», продырявил наружную обшивку корвета, и через пробоину хлынули потоки воды. Вскоре корвет «Неджми-Фешан» также был отброшен на берег к батарее № 5, и на корабле «В. к. Константин" заиграли отбой.