奧斯曼海軍估計俄國海軍會對康斯坦察至巴統橫跨黑海的航線進行襲擊，于是主力艦隊在這片海區巡航。由于土耳其工業和物資供應主要集中在君士坦丁堡一帶，從君士坦丁堡到高加索之間是缺少道路的崇山峻嶺，因此在高加索的作戰消耗和兵員補充主要依靠從西部海運，抵達巴統後再轉陸路運輸送往前線。
爲伏擊俄國海軍的土耳其艦隊在錫諾普近海巡遊，但在黑海南部進行了十多天巡航并沒有遭遇俄國艦隊，土耳其人判斷俄國主力艦隊可能沒有出海。風帆戰艦從塞瓦斯托波爾出發抵達黑海南部需要很多天，因此不會馬上對這條交通線構成威脅。于是土耳其主力艦隊返回博斯普魯斯海峽，留下一支裝運增援部隊和大批物資的分艦隊由奧斯曼帕夏率領，準備啓航前往高加索的巴統和蘇呼米。而錫諾普是土耳其北海岸的重要港口，位于君士坦丁堡到巴統航線中間。由于有一個向東突出的狹窄半島，也稱爲錫諾普角。這個突出半島南側是天然半圓形海灣，由于海灣嵌入内陸，四面來風都被削弱，因而是難得的天然良港，海灣附近分布有6個古炮台。從古希臘時期以來，錫諾普一直是海軍要塞。
19世紀的船隻缺乏導航設備，在氣候多變的季節從錫諾普前往高加索通常采取近岸航行，雖然航程稍長，但是能夠很好地利用海岸導航。戰争爆發後，土耳其往巴統的船隻也走類似航線。奧斯曼帕夏的分艦隊從錫諾普出發不久就遇上了暴風雨，同時發現航線北方有俄國海軍大型的風帆戰艦活動，奧斯曼據此推測俄國海軍主力艦隊可能已經位于錫諾普和巴統之間的海域，于是指揮整個分艦隊退回到了錫諾普海灣的錨地規避。在抵達港口後，他派人從陸地通過驿站向君士坦丁堡發出緊急信件求援。
土耳其分艦隊在暴風雨中望見的俄國海軍艦隊是由納西莫夫率領的分艦隊，隻有3艘三層甲闆的風帆戰列艦，此時正在君士坦丁堡到巴統的航線附近遊獵和偵察。這支俄國艦隊在11月11日才到達因傑角以北，正好橫在錫諾普去巴統的航線上。此時土耳其主力艦隊已經折向博斯普魯斯海峽方向，因此沒有發生遭遇。在發現錫諾普的分艦隊活動後，納西莫夫并沒有急于靠近港口進行封鎖，而是在外海的水天線附近徘徊監視錫諾普角一帶。3艘戰列艦沒有把握同時與土耳其艦隊和錫諾普強大的海岸炮台防禦體系作戰。
兩天的暴風雨使納西莫夫分艦隊的兩艘戰列艦受損，航行能力大打折扣，因此需要等預定在中旬彙合的艦隊其它艦隻趕到。如果土耳其人在這期間出航，納西莫夫則将對離開港口的奧斯曼艦隊發動進攻。守候在外海的納西莫夫艦隊在水天線上時隐時現，土耳其人既不敢貿然出港，也無法确定俄國人的兵力和位置。
11月17日納西莫夫與塞瓦斯托波爾來的諾沃什斯基分艦隊彙合，這支分艦隊是納西莫夫艦隊的一部分，有3艘戰列艦和2艘巡航艦，整個艦隊戰列艦數量達到了6艘。納西莫夫擔心在等待增援的幾天時間中，俄國艦隊在錫諾普外海的消息已經通過信使送到君士坦丁堡，博斯普魯斯海峽的土耳其和英法艦隊可能已經啓航。因此納西莫夫與諾沃什斯基決定不再等待，在博斯普魯斯方向的土耳其增援艦隊趕來前，直接對港口内的奧斯曼帕夏的分艦隊發動進攻，争取将其全部消滅在港内。與納西莫夫的艦隊相比，奧斯曼帕夏的分艦隊有7艘巡航艦、3艘輕型巡航艦、2艘明輪蒸汽巡航艦和4艘運輸帆船。奧斯曼帕夏的作戰計劃是在援兵到來前呆在錨地内，依托海灣周圍海岸炮台上的38門炮共同組成嚴密的防禦。奧斯曼帕夏将7艘巡航艦和3艘輕型巡航艦緊貼弧形港灣的海岸展開，抛錨在第4、5、6号三座炮台之間，海岸火炮與戰艦形成了重疊的密集火力，其他火力薄弱的蒸汽明輪巡航艦和運輸船則在海岸和巡航艦之間插空抛錨，使其獲得交叉火力的保護，同時這些船隻上的火炮能夠插空射擊。
11月17日午夜黑海南部開始降大霧，乘着大霧和夜幕的掩護，納西莫夫艦隊轉向巴夫拉角和錫諾普角之間的海岸航行，這片海岸是個向南深入陸地的海灣，錫諾普位于海灣的西北頂端拐角上。納西莫夫的航渡和接近計劃是先向南進入這個海灣，使得在艦隊接近錨地前錫諾普海角上所有土耳其海岸哨都無法看見艦隊。然後艦隊轉向偏西西北航行，這種從陸地方向向錫諾普海灣的航行接近使得屏護錨地的海角了望哨處于錨泊艦隊的後方，将比艦隊後看見正在接近的俄國艦隊，因而無法做到爲艦隊提供警戒。而錨泊的艦隊往往處于很放松的休整狀态，隻留有少數水手擔任警戒。這些習慣于在海上執勤的水手通常不了解錨地船隻進出情況，他們通常會有依賴港口警戒的習慣，一旦發生問題，他們首先會看錨地信号台有什麽指示。在海岸信号台或了望哨沒有給出通報時，他們不會對進港船隻加以注意。
納西莫夫艦隊在18日日出時分向西北轉向，大霧依舊籠罩海面，直到正午時分才逐漸減弱。此時土耳其海岸哨能看見海面船隻時，俄國艦隊已經抵達海灣東錨地海面，正順偏東東南風成兩列單縱列進入錨地，而且主桅上懸挂的是英國旗。納西莫夫的旗艦“瑪麗女皇”号風帆戰列艦先導，“康斯坦丁大公”号和“切什梅”号戰列艦随後，南面500米左右是諾沃什斯基的“巴黎”号戰列艦先導，“三聖徒”号和“羅斯基斯拉夫”号随後的縱列，兩艘俄國風帆巡航艦“庫列夫奇”号和“卡古爾”号從南面進入錨地。
從水手到軍官的大多數土耳其人都認爲這是從博斯普魯斯海峽趕來的英國艦隊，因而沒有引起任何警惕，艦隊指揮官奧斯曼帕夏還開始做會晤英國人的準備。但是這些進入錨地的艦隊開始沿土耳其艦隊的月牙形縱列300米左右距離上下錨，同時舷牆炮眼沒有按慣例關閉，而且火炮處于射擊位置。反常的情況使得奧斯曼帕夏警覺起來，随即吩咐各艦進入戰鬥警戒。12點30分，在奧斯曼帕夏下令的同時，下錨的不明艦隊開始落下英國旗，并迅速升起俄國海軍的白底藍十字的安德烈旗。至此一切情況已經明了，“俄國人發動了卑鄙的偷襲”，土耳其人在曆史書中一直這麽描寫。在奧斯曼早先發出警戒信号後，整個土耳其艦隊一直不以爲然，行動慢慢吞吞，此時看到突然升起的安德烈旗都大驚失色。包括一直心存疑慮遊移不定的奧斯曼帕夏在内，整個分艦隊都陷入了混亂之中，此時錨地的信号台還沒有完全弄清情況。錫諾普海戰的第一炮是土耳其艦隊旗艦“阿夫尼安拉”号巡航艦打響的，裝填的是實心的擊毀球形彈。炮彈朝“巴黎”号射去卻沒有命中，随後俄國艦隊開始了猛烈的側舷齊射。
俄國艦隊在上層甲闆的卡倫炮上裝填了爆炸球形彈對土耳其戰艦射擊，後來稱之爲納西莫夫爆炸彈。這種炮彈此前實際在陸軍中早已經大量使用了至少幾百年。由于爆炸球形彈可靠性低，且不能随便搬動，而戰艦上往往因爲颠簸搖晃，經常出現球形彈滿甲闆滾動的情況，因此海軍認爲在主力戰艦上使用爆炸彈太危險，盡管實心擊毀球形彈射擊艦船效果不佳，但依舊是禁止在輕型巡航艦及以上的戰艦上使用爆炸球形彈。而安裝臼炮的帆槳炮艇和小型雙桅縱帆船很早就大量使用爆炸球形彈轟擊海岸炮台、城市等目标。早期的陸軍使用的爆炸彈爲空心鑄鐵球，海軍拒絕使用的關鍵在于引信不可靠。在球形鑄鐵彈殼上直接留出導火索引信孔，内填黑色火藥，而引信通常直接插在孔内。引信最初使用硝化的軟木塞，射擊前需要點燃塞入炮膛，後來改爲導火索引信，由發射時炮膛火藥點燃。
用爆炸球形彈作戰最關鍵是可靠點燃炮彈引信。相比早期先點燃炮彈引信再裝入炮膛的模式，實行由發射火藥點燃炮彈引信要穩妥得多，至少不會因爲發射藥瞎火或誤裝導緻炮彈在炮膛内爆炸。裝填爆炸彈必須要将引信對準炮口方向而不是發射藥方向，由于球形彈加工曆來不規範，誤差較大，炮彈與身管之間有縫隙（稱爲遊隙）。開火時高壓發射藥火焰會通過遊隙點着炮彈引信。如果引信朝向發射藥，容易導緻引信快燃或直接引爆爆炸彈。采用短管炮發射爆炸球形彈的初衷是使炮彈引信容易對準炮口方向。拿破侖戰争之後，法國炮兵軍官亨利?約瑟夫?佩克桑研制了一種發射爆炸彈的火炮，這種炮是卡倫炮的改進，使之更便于發射爆炸球形彈。1824年，這種炮通過擊碎一艘雙層甲闆船顯示了它的潛力。
雖然英法兩國海軍都于三十年代末采用了佩克桑設計的火炮，但它依然被看作是發射實心彈的專用武器。海軍戰艦上，在發射爆炸球形彈的火炮邊上，都備有裝滿水的小木桶，一旦發生炮彈滞留膛内，則朝炮筒内灌水澆滅可能被引燃的引信。爲在發射時可靠點燃炮彈引信，也出現了很多通過改動炮彈的解決辦法。另外的辦法是在球形彈引信周圍綁個小突筍環，裝填時炮彈不會發生滾動，而是滑入炮膛。拿破侖戰争後期，爆炸彈的引信裝置發生了一次重要的、但是沒有引起重視的變革。爲使炮彈不會因爲引信過短而早炸，1820年開始采用管狀的信管引信。所謂管狀引信是在原來引信孔打進長軟木管，使發射焰不會直接點着裝藥。木信管底部深入球形彈裝藥内，側壁有導火孔與黑色火藥裝藥相連，管底有一節引信保證炮彈有一個起碼的最小爆炸時間，使炮彈在一定射距内不會爆炸。而管上部引信伸出球形彈，用于控制炮彈爆炸時間。雖然使用信管引信的爆炸彈比直接點裝藥的爆炸彈可靠得多，但是依舊被海軍拒絕在主力戰艦上使用。
俄國海軍首次将其用于主力戰艦并非在技術上有多少改進，在主力戰艦上用這種危險的炮彈作戰更多的是勇氣使然。納西莫夫的作戰計劃和敢于錨泊的信心，完全是建立在爆炸彈的基礎上的。遭到俄國艦隊突襲後，土耳其戰艦開始砍斷纜繩逃跑。由于風向是由東面的外海吹向陸地，夾在海岸和俄國艦隊之間的土耳其風帆巡航艦和運輸船隻能先掉頭向西南，然後沿海岸航行，繞過俄國戰列艦縱列。但是俄國海軍訓練有素的水手們用一陣陣密集炮火的齊射，使土耳其海軍的逃跑企圖徹底破滅。
納西莫夫艦隊射擊順序是對升帆的目标依次射擊，使其失去控制之後再回頭予以摧毀。多數土耳其巡航艦剛剛掉頭升帆，就被炮火打得失去了控制，然後被風吹向海岸。爆炸彈命中木質風帆戰艦效果非常緻命，一發就使中彈部位附近的結構分崩離析，戰艦艙内的隔闆有的被炸飛到了錫諾普碼頭上。運輸帆船被爆炸彈命中後，上面裝載的彈藥發生了爆炸，整條船徹底散架解體。近半個小時，土耳其戰艦幾乎都被打得失控，被風吹上了淺灘或撞上了碼頭。奧斯曼帕夏的旗艦“阿夫尼安拉”号航行得最遠，橫過整個俄國海軍縱列，直跑到海灣西端才被摧毀。由于使用的是爆炸球形彈，被擊毀的船隻多數解體，土耳其人員大部分落水，海灣内飄浮着大量的戰艦的木料碎片和雜物。俄國人對落水的土耳其士兵進行了射擊，很多人被擊斃在海中。事後英法對此表示震驚，并開始妖魔化俄國。
錫諾普海戰中爆炸球形彈的應用，使得在海洋上橫行了幾百年的木質風帆戰艦徹底走向消亡。在随後的戰鬥中，無論是俄國還是土耳其，或卷入戰端的英國和法國，都充分意識到了爆炸彈和蒸汽機對海戰的深刻影響。這種影響的後果對不同國家意味着不同的結局。盡管在這場戰争中還要使用1853年之前建造的木質戰艦作戰，但戰術和作戰行動都開始嘗試變革或因不知所措出現了混亂。俄國在失去了英國進口的大批蒸汽機後，不得不用風帆艦隊作戰。而尼古拉一世對戰争進程判斷的失誤，使得俄國海軍不可能在英法艦隊到來前消滅土耳其艦隊。而英法艦隊抵達君士坦丁堡後，俄國海軍企圖襲擊土耳其重要地區的計劃也徹底落空。
從月18日錫諾普獲勝，到1854年4月10日英法艦隊進入黑海期間，俄國海軍在黑海具有絕對制海權，然而卻竟然無所作爲。在對“塔伊夫”号蒸汽明輪巡航艦的攔截和追擊中，納西莫夫深刻體會到了風帆戰艦的局限，在面對更加強大的英法蒸汽動力戰艦，俄國海軍根本無法獲勝。1854年4月10日，英國的蒸汽巡航艦炮擊了俄國黑海城市敖德薩，并且幽靈般地出現在克裏米亞半島外海，對塞瓦斯托波爾要塞進行偵察。俄國黑海艦隊分艦隊司令門契科夫在得到這個情況後認爲“我們無法阻止他們，我們的戰艦無法追上他們”。俄國黑海艦隊司令科爾尼諾夫在4月主張積極出海的計劃遭到了各分艦隊的指揮官們反對。包括納西莫夫、總司令孟什科夫在内，都主張利用戰艦防禦塞瓦斯托波爾要塞。
幾次與蒸汽巡航艦交戰的經驗，使俄國海軍将領們了解到風帆艦隊面對蒸汽戰艦是難以取得射擊陣位的，而蒸汽戰艦卻能夠迅速進入風帆戰艦的射擊死角。納西莫夫曾經指出“我們很可能自始至終都無法使火炮瞄準敵人，相反風向會使我們的戰艦在一些方向上變得非常遲鈍，敵人卻能夠充分利用這些弱點”。俄國海軍戰術出現的這種不知所措，某種程度上可以說是與蒸汽巡航艦交戰造成的影響。在取得錫諾普海戰輝煌的勝利後，俄國海軍艦隊一直困守塞瓦斯托波爾，再也沒有出海進行交戰直至覆滅。。這是一個龐大帝國在工業時代來臨時的悲哀。錫諾普海戰成爲了人類曆史上最後一次大規模的風帆戰艦的海戰。