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.
Флагманский корабль «Императрица Мария» ни на минуту не прекращал обстрела неприятельских судов Фрегат «Фазли-Аллах» подвергся сильнейшему огню русского флагманского корабля сразу же после того, как адмиральский фрегат «Ауни-Аллах» прекратил сопротивление и выбросился на берег. От метких выстрелов русских комендоров фрегат «Фазли-Аллах» загорелся и последовал примеру своего флагмана: объятый пламенем, он выбросился на берег и стал на мель у стен турецкой крепости.
Корабли второй колонны нахимовской эскадры заканчивали разгром правого фланга неприятеля. Корабль «Париж», поворотившись на шпринге, направил свои орудия левого борта против двухдечного фрегата «Низамие", имевшего наиболее сильное артиллерийское вооружение из всех судов неприятельской эскадры.
Моряки «Парижа" посылали последние снаряды по турецким судам, и командующий эскадрой, наблюдая за ходом боя, высоко оценивал умелые действия капитана I ранга Истомина. «Нельзя было налюбоваться,— доносил впоследствии П. С. Нахимов, — прекрасными и хладнокровно рассчитанными действиями корабля "Париж»; я приказал изъявить ему свою благодарность во время самого сражения, но не на чем было поднять сигнал: все фалы были перебиты». Адъютант Феофан Острено, подойдя на шлюпке к борту «Парижа» под непрерывным обстрелом противника, передал морякам Истомина благодарность командующего.
Турки ожесточенно сопротивлялись. Уже второй час оба дека фрегата «Низамне» безостановочно озарялись вспышками выстрелов и весь корпус корабля содрогался от непрерывной стрельбы. Некоторые орудия «Низамие» были исковерканы еще в результате обстрела «Ростиславом», но адмирал Гуссейн-паша решил, видимо, сражаться до конца. Русские моряки с корабли Истомина не замедлили приблизить этот конец: к 2 часам пополудни несколькими залпами с «Парижа» разрушения на "Низамие» приняли катастрофический характер. С треском обрушилась и полетела в воду фок-мачта; вслед за ней фрегат лишился бизань-мачты. Снаряды русской артиллерии разносили в щепы верхнюю палубу и галереи «Низамие», ломали переборки, дырявили наружную обшивку. В начале третьего часа пополудни фрегат «Низамие» прекратил сопротивление и бросился к берегу. Сотни людей кинулись к выходным трапам, чтобы спастись на суше от сокрушительных ударов русской артиллерии. Гуссейн-паша, начавший свою карьеру при Наварине, закончил ее в Синопе: он утонул, пытаясь спастись бегством со своего корабля. Спустя несколько минут «Низамие» ветром был вынесен на берег и навалился на фрегат «Дамиад», который также испытал на себе силу орудий «Парижа».
Рядом с «Низамие», еще до того, как он оказался на берегу, стоял корвет «Фейзи-Меабуд», орудия которого была обращены против корабля «Ростислав». Так же, как и Гуссейн-паша, командир турецкого корвета Ицет-бей не спускал флага и продолжал артиллерийский обстрел из орудий правого борта. Согласованно с ним действовала и береговая батарея № 6, часть орудий которой еще уцелела, а прислуга пополнялась из чиста матросов, бежавших на берег с разбитых кораблей. Вскоре, однако, и здесь сопротивление противника было сломлено: комендоры кораблей «Три святителя" и «Ростислав» искусно стреляли по береговой батарее и корвету «Фейзи-Меабуд". Под мощным огнем русской корабельной артиллерии орудия корвета одно за другим выходили из строя. Несколько метких попаданий «Ростислава» завершили дело: «Фейзи-Меабуд», обрубив цепь, бросился к берегу и стал на мель невдалеке от того места, где уже покоился флагман турецкой эскадры "Ауни-Аллах». Ицет-бей возглавил паническое бегство турок с разбитого корвета. «Фейзи-Меабуд» был одним из последних судов турецкой эскадры, прекратившим сопротивление русским кораблям.
Два турецких парохода—«Таиф» и «Эрекли»—во время сражения находились за боевой линией турецкой эскадры и, естественно, имели меньше повреждений от обстрела нахимовских кораблей, чем остальные турецкие суда. Однако турки не смогли использовать в бою преимущества своих паровых судов. Обладая высокими маневренными качествами (сравнительно с парусными судами), турецкие пароходы могли подойти на близкую дистанцию к русской эскадре и, став перед кормой одного из атакующих кораблей, поражать его продольными залпами. В разгар сражения, когда русские парусные корабли стояли на шпрингах и сосредоточили весь огонь против боевой линии турецкой эскадры, неприятельские пароходы сохраняли свободу маневрирования и имели возможность занять наиболее удобную позицию для активного содействия своей эскадре. Они могли, в частности, или встать между двумя русскими кораблями и действовать своей артиллерией одновременно с обоих бортов, или с ходу обстреливать русские суда, которые стояли на якоре и были лишены возможности быстро переносить свой огонь по движущимся целям. Но для этого нужны были умение, инициатива и решительность командиров турецких пароходов, а именно этого-то у них и не нашлось. Вместо активного содействие своей эскадре, командиры пароходов предпочитали обстреливать корабли «Парижа» и «Три святителя» с дальних дистанций, боясь подойти на близкое расстояние к нахимовской эскадре. )