На следующий день, 15 мая, «Меркурий» присоединился к флоту, который, извещённый «Штандартом», в 14 часов 30 минут вышел в море в полном составе.

Когда на горизонте появились русские корабли, Казарский разрядил лежавший у крюйт-камеры пистолет в воздух. Вскоре, израненный, но не побеждённый, бриг входил в Севастопольскую бухту.

Вот как описывает сражение в докладе на имя Николая I командующий Черноморским флотом адмирал А.С. Грейг:

«Когда по случаю замечательного приближения к нему неприятеля, за крейсерами нашими в погоню устремившегося, командиром фрегата „Штандарт“ приказано было каждому судну взять такой курс, при коем оное имеет наилучший ход, тогда бриг „Меркурий“ привёл в галфвинд на румб NNW, имея у себя флот турецкий к SSO, и поставил все паруса; однако сия перемена курса не могла отдалить его от преследующих, и лучшие ходоки неприятельского флота, два корабля, один 110-пушечный под флагом капудан-паши, а другой 74-пушечный под адмиральским флагом, настигали бриг чувствительно и в ходе 2-го часа пополудни находились от него на полтора пушечных выстрела, а как в это время стихающий ветер ещё более уменьшал ход, то капитан-лейтенант Казарский в надежде удалиться обратился к действию вёслами, но и сия утешительная надежда недолго продолжалась, ибо в половине 3-го часа ветер опять посвежел, и корабли начали приближаться, открыв огонь из погонных своих орудий. Видя совершенную невозможность избежать столь неравного сражения, капитан-лейтенант Казарский, собрав всех офицеров своих, составил военный консилиум, на котором корпуса штурманов поручик Прокофьев первый предложил взорвать бриг на воздух, и вследствие того положено единогласно: защищаться до последней крайности, и наконец, если будет сбит рангоут или откроется в судне течь, до невозможности откачивать оную, тогда свалиться с каким-либо неприятельским кораблём, и из офицеров кто останется ещё в живых, должен зажечь крюйт-камеру, для чего был положен на шпиль заряженный пистолет.

После сего командир брига долгом поставил напомнить нижним чинам об обязанностях их к Государю и Отечеству и, к удовольствию, нашёл в людях решимость драться до последней капли крови. Успокоенный таковыми чувствами экипажа, капитан-лейтенант Казарский прекратил действие вёслами и, приказав отрубить ял, за кормою висевший, открыл огонь из ретирадных пушек. Вскоре за тем 110-пушечный корабль начал спускаться, чтобы занять правую сторону, а может быть, сделать залп вдоль брига, но сей последний избежал столь пагубного действия, взяв направление к N; таким образом, ещё около получаса он терпел только от одних погонных пушек; но после того был поставлен между двумя кораблями, из коих каждым сделано по бригу два залпа, и с корабля капудан-паши закричали: „Сдавайся и убирай паруса!“ На сие ответствовало с брига огнём всей артиллерии и ружей при громком „ура“, и оба корабля, сдавшись несколько за корму брига, продолжали до 4 ¹/₂ часов непрерывную пальбу ядрами, книпелями, картечью и брандскугелями, из коих один горящий завязнул между гаспицами, произвёл пожар, но, к счастью, оный вскоре был потушен.

Во всё время сражения бриг упорно отпаливался, уклоняясь по возможности, дабы избегать продольных выстрелов. Между тем, действуя по 110-пушечному кораблю правым бортом, перебил у него ватерштаги и повредил гротовый рангоут, от чего корабль сей, закрепив трюмсели, бом-брамсель и брамсель, привёл к ветру, на левую сторону и, сделав залп со всего борта, лёг в дрейф. Другой корабль ещё продолжал действовать, переменяя галсы под кормою брига, и бил его ужасно продольными выстрелами, коих никаким движением избежать было невозможно, но и сие отчаянное положение не могло ослабить твёрдой решимости храброго Казарского и неустрашимой его команды; они продолжали действовать артиллериею, и, наконец, счастливыми выстрелами удалось им повредить на неприятельском корабле грот-руслень, перебить фор-брам-рей и левый нок фор-марса-рея, падение коего увлекло за собою лисели, на той стороне поставленные, тогда и сей корабль в 5 ¹/₂ часов привёл в бейдевинд.

Во время сего ужасного и столь неравного боя, продолжавшегося около 3 часов в виду турецкого флота, состоявшего из 6 линейных кораблей (в том числе и двух атаковавших бриг (двух фрегатов, двух корветов, одного брига и трёх одномачтовых судов), с нашей стороны убито рядовых 4 человека, ранено 6, пробоин в корпусе судна с подводными 22, в рангоуте 16, в парусах 133, перебитого такелажа 148 штук, разбиты гребные суда и карронада.

В заключение капитан-лейтенант Казарский доносит, что он не находит ни слов, ни возможности к описанию жара сражения, им выдержанного, а ещё менее той отличной храбрости, усердия и точности в исполнении своих обязанностей, какие оказаны всеми вообще офицерами и нижними чинами, на бриге находящимися, и что сему токмо достойному удивления духу всего экипажа, при помощи Божией, приписать должно спасение флага и судна Вашего Императорского Величества.

Итак, 18-пушечный российский бриг в продолжение 3 часов сражался с достигшими его двумя огромными кораблями турецкого флота, под личною командою главных адмиралов состоящими, и сих превосходных сопротивников своих заставил удалиться.

Столь необыкновенное происшествие, доказывающее в чрезвычайной степени храбрость и твёрдость духа командира судна и всех чинов оного, обрёкших себя на смерть для спасения чести флага, ими носимого, превышает всякую обыкновенную меру награды, какую я могу назначить сим людям, и токмо благость и неограниченные щедроты Вашего Императорского Величества в состоянии вознаградить столь достойный удивления подвиг, который, подвергая всеподданнейше на благоусмотрение Ваше, Всемилостивейший Государь, подношу для себя табель о числе людей, на бриге состоящих, и список офицерам онаго».

В донесении на имя командующего Черноморским флотом адмирала А.С. Грейга командир «Меркурия» писал: «Имея честь донести вашему превосходительству о деяниях вверенного мне брига, я не имею ни слов, ни возможности описать жара сражения… А ещё менее выразить отличную храбрость и усердие офицеров и команды, коих мужеством и расторопностью спасён российский флаг и бриг от неизбежной гибели…» И хотя своё донесение Казарский составил с присущей ему скромностью, известие о небывалой победе маленького, почти безоружного брига над двумя сильнейшими турецкими кораблями облетело всю Россию. Страна ликовала! В те дни газета «Одесский вестник» писала: «Подвиг сей таков, что не находится другого ему подобного в истории мореплавания; он столь удивителен, что едва можно оному поверить. Мужество, неустрашимость и самоотвержение, оказанные при сём командиром и экипажем „Меркурия“, славнее тысячи побед обыкновенных».

Факт своего бесславного поражения признали и сами турки. Один из турецких офицеров, участников боя, писал: «…В три часа пополудни удалось нам настичь один из бригов. Корабль капудан-паши и наш вступили с ним в жаркое сражение, и дело неслыханное и неимоверное — мы не могли принудить его сдаться. Он сражался, отступая и маневрируя, со всем военным искусством, так, что мы, стыдно признаться, прекратили сражение, между тем как он, торжествуя, продолжал свой путь… Если древние и новые летописи являют нам опыты храбрости, то сей последний затмит все прочие, и свидетельство о нём заслуживает быть начертанным золотыми буквами в храме славы. Капитан сей был Казарский, а имя брига — „Меркурий“».

Победа «Меркурия» была настолько фантастична, что некоторые знатоки военно-морского искусства отказывались в это верить. Английский историк Ф. Джейн, узнав о происшедшем сражении, заявил во всеуслышание: «Совершенно невозможно допустить, чтобы такое маленькое судно, как „Меркурий“, вывело из строя два линейных корабля».

— У страха глаза велики! — рассуждали завистники и недоброжелатели. — Казарскому корабли линейные просто померещились. Если там у турок что-то и было, то в лучшем случае каких-нибудь два фрегата!