Позади линейных кораблей в двух кильватерных колоннах шли 13 эскадренных миноносцев (из них три новых типа "Дерзкий" и 10 "угольных", под командованием начальника минной бригады капитана 1-го ранга Саблина). При таком походном порядке в случае внезапного начала боя сравнительно тихоходные крейсера были бы подставлены под удар противника, а лучшие эскадренные миноносцы не смогли бы быстро выйти в атаку.
Около 11 ч.40 м. 18 ноября, находясь в 20 милях от побережья Крыма в районе мыса Сарыч, примерно в 45 милях от мыса Херсонес, крейсер "Алмаз" донес прожектором на флагманский корабль, что обнаружил впереди "большой дым". В это время радисты доложили о радиопереговорах неприятельских кораблей, но на это не было обращено внимание, так как переговоры по радио часто были слышны и раньше. Однако в донесение "Алмаза" штаб флота поверил не сразу; предполагая, что появившийся корабль — это "Синоп", вышедший навстречу эскадре.
Линейный крейсер "Гебен" в походе
Тем не менее линейным кораблям было приказано прибавить ход до 14 узлов и сократить дистанцию до 2,5 каб., а эскадренным миноносцам подтянуться. Концевые линейные корабли сильно отстали и к началу боя подтянуться на указанную дистанцию не смогли, по той же причине находились довольно далеко и замыкающие колонну эскадренные миноносцы. Спустя несколько минут "Алмаз" обнаружили с "Бреслау" и "Гебен", развив полный ход, повернул прямо на противника.
В 12 ч. 10 м., находясь в 39 милях от Херсонесского маяка, "Алмаз" донес: "Вижу неприятеля по носу" и, получив ответ, немедленно повернул на соединение с линейными кораблями. Вскоре после этого повернули на сближение "Кагул" и "Память Меркурия". Отход крейсеров к главным силам был своевременным, так как они имели значительно меньший по сравнению с "Гебеном" ход, а "Алмаз" находился всего в 6500 м (35 каб.) от него.
В этот момент на русской эскадре была сыграна боевая тревога, а через несколько минут в тумане несколько левее курса появились силуэты двух больших кораблей. Дистанция до них была порядка 14 800-16 700 м (80-90 каб.), и если бы видимость оказалась лучше, то можно было бы вести стрельбу. Но находившаяся в строе кильватера русская эскадра не могла эффективно использовать свою артиллерию на острых курсовых углах, поэтому корабли по приказанию вице-адмирала Эбергарда начали последовательный поворот влево для приведения противника на курсовой угол 90° правого борта. Соображения штаба о повороте влево основывались на том, что таким образом эскадра могла отрезать "Гебену" путь на Босфор.
Хотя дистанция до противника быстро сокращалась, обстановка для открытия огня не благоприятствовала русским кораблям. На запад и северо-запад от них туман был гуще, и низко стлавшийся дым кораблей мешал не только наводке, но и наблюдению дальномерных постов. Адмирал Эбергард запоздал отдать команду на поворот влево на 8 румбов для занятия более выгодной позиции. В то время как головной флагманский линейный корабль "Евстафий" открыл огонь, "Иоанн Златоуст" только лишь повернул, а третий в строю "Пантелеймон" и два концевых линейных корабля ещё не легли на боевой курс.
При скорострельности артиллерии главного калибра 1,5 выстрела в минуту "Евстафий", "Иоанн Златоуст" и "Пантелеймон", стреляя на поражение шестиорудийными залпами по одному выстрелу из каждой башни через 20 секунд, могли произвести в минуту 18 выстрелов, то есть выпустить 5 940 кг металла. В это же время "Гебен", стрелявший пяти орудийными залпами через 15 секунд также по одному выстрелу из каждой башни, производил 20 выстрелов в минуту и выпускал до 6 300 кг металла. Однако следует учитывать, что "Гебен" в лучшем случае мог одновременно вести огонь по двум целям, следовательно, три других русских линейных корабля имели возможность стрелять по нему без помех.
Согласно принятой организации стрельбы, централизованное управление огнем производилось по радио с "Иоанна Златоуста" — второго корабля в строю эскадры. На "Евстафии", шедшем впереди, и "Пантелеймоне", шедшем третьим, принятые команды корректировались соответственно месту этих кораблей относительно цели.
Когда "Иоанн Златоуст" повернул последовательно за "Евстафием" на новый курс, "Гебен" шёл всё на том же курсовом угле — около 25-30° и из-за дыма и тумана был очень плохо виден, временами он вообще исчезал из поля зрения. В результате дистанция до противника управляющим артиллерийским огнем лейтенантом Смирновым была определена в 11 100 м (60 каб.), тогда как она фактически равнялась приблизительно 7 400 м (40 каб.).
Из-за малой видимости "Иоанн Златоуст" также долго не давал команду на открытие огня. "Гебен", шедший при встрече с русскими кораблями на восток, тоже обнаружил их и начал поворот вправо. В 12 ч.24 м. на "Евстафии" была определена более достоверная дистанция до противника.
Поскольку от управляющего артиллерийским огнем корабля продолжали поступать неверные данные, старший артиллерист "Евстафия" лейтенант Невинский, по приказанию командующего флотом, самостоятельно дал двухорудийный залп, по одному выстрелу из носовой и кормовой башен, получив один перелет и одно попадание в переднюю трубу. При взрыве снаряда был виден огонь и затем густой черный дым, как будто выходящий из основания трубы и батареи. В этот момент курсовой угол "Гебена" был 60-65°.
305-мм снаряд с "Евстафия" с головным взрывателем, начиненный черным порохом,пробил 150 мм броню порта каземата 150-мм орудия № 3 , в котором сдетонировало три снаряда и загорелись 16 зарядов, подготовленных к стрельбе . Орудие вышло из строя. Газ, пламя и дым проникли в пороховой погреб, из которого подавался боезапас к орудиям № 3 и № 4, но взрыва не произошло. Потери экипажа "Гебена" составили 13 убитых и 3 раненых.
Вскоре после своего поворота на 8 румбов влево русские линейные корабли были обнаружены с мостика "Гебена". Адмирал Сушон немедленно приказал повернуть вправо. Линейный крейсер лег на параллельный противнику курс, и через несколько секунд после первого залпа "Евстафия" старший артиллерист "Гебена" корветен-капитан Книспель с дистанции 7 000-7 200 (38-39 каб.) открыл огонь по "Евстафию" пятиорудийными залпами (по одному орудию из каждой башни).
Первый залп "Гебена" лёг перелётом. В источнике [1] старший артиллерист "Евстафия" лейтенант Невинский пишет: "Почти тотчас после нашего залпа "Гебен" дал залп из всех пяти башен (я ясно видел это в бинокль). Продолжая смотреть в бинокль, я увидел какие– то черные точки. Протер стекла платком, вновь поднес бинокль к глазам: точки еще были видны и теперь уже поднимались вверх. Я понял, что это неприятельские снаряды, сосчитал их — пять штук, затем они исчезли из поля зрения…"
"Гебен" в Константинополе
Второй залп также лёг перелётом, но один снаряд пробил навылет вторую дымовую трубу "Евстафия" и разорвался за его левым бортом, повредив осколками радиоантенну.
Третий залп лег недолётом, но один снаряд попал в правый носовой каземат 152-мм орудия повредил его и пробил две броневые плиты толщиной 152 мм и вызвал большие человеческие жертвы.
Четвертый залп накрыл батарею 152-мм орудий (между казематами в районе 54 шпангоута). Снаряд пробил 127-мм броню, оставив в ней почти идеальное круглое отверстие, вызвал большие разрушения и пожар приготовленных к стрельбе зарядов, убив и ранив несколько человек.
Пятый и шестой залпы легли недолётом, но один снаряд разорвался на воде непосредственно у борта в районе 22 шпангоута и осколками разорвал легкий надводный борт над бортовой броней толщиной 75 мм в районе носового лазарета, где никого не было, разрушил трубопроводы судовых систем и часть прилегающих помещений. Образовалась надводная пробоина сравнительно больших размеров.
В скоротечном бою в течение 10 минут на дистанции 6 400-7 300 м (34-39 каб.) "Гебен" выпустил 19 280-мм бронебойных снарядов, хотя русские наблюдали падение не менее шести залпов (30 снарядов), и, согласно источника [11], добился трех попаданий (16 % попаданий) и одного близкого разрыва в воде, согласно Campbell [8], добился четырех попаданий (21 % попаданий) в "Евстафий", потери экипажа которого составляли 33 убитых и 35 раненых. Согласно Hildebrand [7], "Гебен" добился одного попадания снарядом главного калибра в "Евстафий", однако и сам получил попадание тяжелым снарядом в каземат № 3 левого борта.
Добившись накрытия, "Евстафий" перешел к стрельбе беглым огнём. Носовая башня видела цель хорошо и стреляла с равными промежутками времени, из кормовой же несколько раз докладывали, что не видят цели из-за дыма и мглы. Затем он открыл огонь из 152 и 203-мм орудий. Всего было сделано 16 выстрелов из орудий главного калибра (6,25% попаданий), из них 12 приходилось на носовую башню, а 4 на кормовую. Было выпущено 19 снарядов калибра 152 мм и 14 калибра 203 мм. Огонь велся около 10 минут, хотя "Гебен" был виден в течение 14 минут.