К моменту битвы в составе русской эскадры было 6 линкоров и 2 фрегата, а в составе турецкой – 7 фрегатов, 3 корвета, 2 пароходофрегата, 2 брига, 2 транспорта. Русские имели 720 орудий, а турки – 510.
Артиллерийский бой начали турецкие корабли. Русские корабли сумели прорваться сквозь заградительный огонь противника, встали на якорь и открыли сокрушительный ответный огонь. Особенно эффективными оказались впервые примененные русскими 76 бомбических пушек, стрелявших не ядрами, а разрывными снарядами. В результате боя, продолжавшегося 4 часа, весь турецкий флот и все батареи из 26 орудий были уничтожены. Турецкий пароход «Таиф» под командованием А. Слейда, английского советника Осман-паши, спасся бегством. Турки потеряли убитыми и утонувшими свыше 3 тыс. чел., около 200 чел. попали в плен. Часть пленных, в основном раненых, свезли на берег, что вызвало благодарность турок. В результате сражения турки потеряли 10 боевых кораблей, 1 пароход, 2 транспорта; были потоплены также 2 торговых судна и шхуна.
В русском плену оказался и сам главнокомандующий – Осман-паша. Его, брошенного своими матросами, спасли с горящего флагмана русские моряки. Когда Нахимов спросил у Осман-паши, есть ли у него просьбы, тот ответил: «Чтобы спасти меня, ваши матросы рисковали жизнью. Прошу их достойно наградить». Кроме вице-адмирала, в плен попали и три командира кораблей. Русские потеряли 37 чел. убитыми и 235 ранеными. Победой в Синопской бухте русский флот получил полное господство в Черном море и сорвал планы высадки десанта турок на Кавказе. За эту победу Нахимова удостоили звания вице-адмирала и ордена Святого Георгия 2-й степени. В именном рескрипте на имя Нахимова Николай I написал следующие слова: «Истреблением турецкой эскадры вы украсили летопись русского флота новою победою, которая навсегда останется памятной в морской истории».
Однако разгром турецкого флота явился поводом к вступлению в конфликт Англии и Франции, которые ввели свои эскадры в Черное море и высадили десант вблизи болгарского города Варна. В марте 1854 г. в Стамбуле был подписан наступательный военный договор Англии, Франции и Турции против России (в январе 1855 г. к коалиции присоединилось и Сардинское королевство). В апреле 1854 г. союзная эскадра бомбардировала Одессу, а в сентябре 1854 г. союзные войска всадились близ Евпатории. 8 (20) сентября 1854 г. русская армия под командованием А. С. Меншикова потерпела поражение у реки Альма. Казалось, что путь на Севастополь открыт. В связи с возросшей угрозой захвата Севастополя русское командование приняло решение затопить большую часть Черноморского флота у входа в большую бухту города, чтобы воспрепятствовать входу туда вражеских кораблей.