Исполняя приказ командующего, отряд Небогатова повернул, построившись пеленгом, но до лобового столкновения с англичанами дело не дошло – враг не стал лезть в расставленную для него тактическую ловушку.
Ведя артдуэль с расстояния в пятьдесят – шестьдесят пять кабельтовых, «Потёмкин» и «Ростислав» разошлись с шестёркой «канопусов» контркурсами; исправив повреждения, флагман Бересфорда встал в кильватер «Оушену», на котором держал флаг контр-адмирал Эштон Керзон-Хау Из-за этой заминки «лайми» потеряли драгоценное время, чем Гильдебрандт немедленно воспользовался: «Ростислав» с «Потёмкиным» развернулись через правый борт на шестнадцать румбов и легли на параллельный курс; расстояние увеличилось до семидесяти кабельтовых, корабли маневрировали самостоятельно, ведя пристрелку по «Оушену» и «Альбиону».
Эскадра Бересфорда, имевшая преимущество в скорости на пару узлов, последовательно повернула влево на три румба, сближаясь и угрожая сделать «crossing the Т». Яков Аполлонович парировал вражеский манёвр аналогичным поворотом на три румба влево, в результате чего противник вновь оказался на параллельном курсе, с каждой пройденной милей всё дальше и дальше удаляясь от остатков отряда Витгефта. Впереди замаячили Принцевы острова, а стороны вновь приступили к пристрелке.
Разойдясь с Бересфордом контркурсами, «Цезарь» и «Ганнибал» полным ходом пошли на сближение с отрядом контр-адмирала Небогатова. Получивший пробоину в носу «Илластриес» покинул поле боя.
Имея эскадренную скорость всего лишь в одиннадцать узлов, «Екатерина II», «Синоп» и «Чесма» не имели шансов догнать «канопусы» даже теоретически, поэтому Небогатов приказал повернуть к едва плетущимся кораблям Витгефта.
Затем, разглядев приближавшиеся «Цезарь» и «Ганнибал», Николай Иванович повернул на них, сближаясь строем фронта; британские броненосцы повернули на четыре румба вправо, намереваясь отсечь Небогатова от Гильдебрандта.
Навстречу англичанам со стороны Константинополя, напрягая машины, спешил «Александр II», передавший «Нахимов» пароходу «Москва».
Прекрасно зная сильные и слабые стороны «екатерин», контр-адмирал Небогатов не стал вести бой по чужим правилам. Развернувшись на шестнадцать румбов, Николай Иванович поставил свои корабли между «Цезарем» с «Ганнибалом» и отрядом Витгефта и довернул на пару румбов влево. В результате «лайми», имея ход на три-четыре узла больше, не смогли реализовать своё преимущество в скорости, так как были вынуждены двигаться по внешней дуге воображаемой окружности.
Командиры обоих британских броненосцев быстро осознали бесперспективность предпринятого ими манёвра и решили атаковать идущий встречным курсом «Александр II». Русский корабль сразу же повернул обратно. Погоня за ним грозила обернуться неожиданностями, так как справа с носовых курсовых углов приближалась четвёрка эсминцев.
На левой раковине находилась тройка сравнительно тихоходных «екатерин», поэтому англичане развернулись на шестнадцать румбов, чтобы разойтись с отрядом Небогатова на контркурсах. Во время этого расхождения на контркурсах нанесли повреждения «Синопу» и «Чесме», затем, обрезав «Екатерине II» корму, сосредоточили огонь на флагмане Небогатова, засыпая его снарядами всех калибров.
Чтобы парировать угрозу с кормовых углов, Николай Иванович перестроил свой отряд строем фронта, и спустя некоторое время врагу стали отвечать шесть двенадцатидюймовок вместо двух. Несколько близких разрывов вкупе с предыдущими повреждениями вынудили, наконец, командиров «Цезаря» и «Ганнибала» удалиться за пределы досягаемости русских орудий.
Контр-адмирал Витгефт к этому времени погиб, и командование остатками отряда принял Лебедев. «Сенявин» с «Навариным» отстреливались из уцелевших орудий ГК от «Ланкастера», маневрировавшего на почтительном расстоянии, «Апраксин» и «Николай I» едва ползли, горя и погружаясь.
Видя, что Небогатов, не дойдя каких-то пары миль, вступил в бой с «Цезарем» и «Ганнибалом», Лебедев приказал снять экипаж бывшего флагмана, который потерял обе дымовые трубы, и идти к мысу Беюк-Чекмедже, до которого было около трёх с половиной миль по прямой. Чтобы ускорить погружение, после эвакуации личного состава старший механик «Николая» открыл кингстоны. Броненосец ушёл на дно на ровном киле.
До Беюк-Чекмедже дотащились, потеряв по дороге «Апраксин» – из-за полученных пробоин вода подступила к топкам, которые пришлось погасить, а лишившийся хода корабль – затопить. Команда перебралась на борт систершипа. Сопровождаемые «Ланкастером», державшимся мористее вне досягаемости артиллерии, добрались до берега. «Наварин» выбросился на мель (над водой едва возвышалась верхняя палуба), «Сенявин» встал на якорь, практически касаясь днищем грунта.
Когда подошли «Чесма», «Синоп», «Екатерина II» и четыре эсминца, отогнавшие надоедливый «Ланкастер», началась эвакуация всех уцелевших русских моряков. После эвакуации на «Наварине» открыли кингстоны и взорвали погреба; «Сенявин» был взят на буксир «Александром II».