Морское сражение при Синопе началось 18 (30) ноября 1853 года в полдень и продолжалось до 17 часов. Русские корабли столь стремительно вошли в бухту, что турецкие судна не успели занять правильную позицию. В результате береговая артиллерия не могла в начале боя вести точный огонь, опасаясь задеть своих. Решающую роль в бою сыграло мастерство русских моряков и умелое взаимодействие их кораблей.

Важное значение имело превосходство российского флота в артиллерии. Впервые применены бомбические пушки, стреляющие разрывными сферическими бомбами. Они обладали огромной разрушительной силой и быстро вызвали значительные повреждения и пожары на деревянных кораблях турок. В течение четырёхчасового боя огонь русской артиллерии полностью уничтожил турецкую эскадру и большинство береговых батарей.

Фактически П. С. Нахимов одержал победу не только над флотом, но и над крепостью. Это редкий в мировой истории пример разгрома военно-морской базы с находящимся там флотом в результате атаки со стороны моря. Турки потеряли убитыми и ранеными около 4 тысяч человек. Ещё около 200 попали в плен. Эскадра Нахимова не потеряла ни одного корабля. Поражение турок при Синопе сорвало их планы по высадке войск на побережье Кавказа и лишило Турцию возможности вести активные действия на Чёрном море. Однако победа при Синопе имела для русских и негативные последствия, поскольку ускорила вступление в войну на стороне Турции Англии и Франции.

За победу при Синопе Николай I удостоил вице-адмирала Нахимова ордена святого Георгия 2-й степени, написав в именном рескрипте: «Истреблением турецкой эскадры вы украсили летопись русского флота новою победою, которая навсегда останется памятной в морской истории». Оценивая Синопское сражение, вице-адмирал Корнилов писал: «Битва славная, выше Чесмы и Наварина... Ура, Нахимов!».