Около двух часов дня ветер стих, и ход преследующих кораблей уменьшился. Пользуясь этим обстоятельством, Казарский, используя вёсла брига, хотел увеличить расстояние, отделявшее его от противника, но не прошло и получаса, как ветер снова посвежел, и турецкие корабли начали сокращать дистанцию. В исходе третьего часа дня турки открыли огонь из погонных пушек. Превосходство неприятеля было более чем тридцатикратное!
Видя, что уйти от турецких кораблей тихоходному бригу не удастся, командир «Меркурия» собрал офицеров на военный совет.
По давней воинской традиции первым имел привилегию высказать своё мнение младший по чину.
— Нам не уйти от неприятеля, — сказал поручик Корпуса флотских штурманов И.П. Прокофьев. — Будем драться. Русский бриг не должен достаться врагу. Последний из оставшихся в живых взорвёт его.
Все единодушно высказались за бой. Криками «ура» встретили решение о бое и матросы. Перед крюйт-камерой Казарский положил заряженный пистолет. Последний оставшийся в живых член команды должен был взорвать судно во избежание захвата неприятелем.
Сражение началось. Искусно маневрируя, Казарский постоянно уводил «Меркурий» от турецких бортовых залпов, укрывался в пороховом дыму…
— Мы должны лишить неприятеля хода! Посему целить всем в такелаж! — командовал он артиллеристам.
И те не подвели своего командира. Вскоре комендор Иван Лысенко метким выстрелом перебил на «Селимие» удерживающие снизу бушприт ватерштаги. Лишённые опоры, зашатались мачты, вызывая крики ужаса у турок. Чтобы они не рухнули, на «Селимие» убрали паруса и легли в дрейф, устраняя повреждения.
Теперь против «Меркурия» оставался один 74-пушечный «Реал-Бей». Сражение продолжалось с неменьшим ожесточением более трёх часов. Сам командир был ранен в голову, но продолжал руководить боем. Видя, как редеют ряды матросов и офицеров «Меркурия», Казарский решился на отчаянную атаку. Артиллеристам он приказал целиться самостоятельно и стрелять поодиночке, а не залпом. Маленький бриг отважно приближался к огромному кораблю. Думая, что русские решили взорвать себя вместе с «Реал-Беем», турки один за другим прыгали в воду. Но Казарский поступил иначе: сблизившись вплотную с неприятельским линейным кораблём, перебил сразу несколько его рей. Те рухнули, и «Реал-Бей» беспомощно закачался на волнах. Дав по турецкому кораблю последний залп, «Меркурий» продолжил свой путь.
Поскольку артиллерийская канонада, доносившаяся с юга, смолкла, «Штандарт» и «Орфей», посчитав «Меркурий» погибшим, приспустили, в знак траура по нему, свои флаги.
Пока израненный бриг приближался к Сизополю, где базировались основные силы Черноморского флота, контуженный, с перевязанной головой А.И. Казарский подсчитывал потери: четверо убитых, шесть раненых, 22 пробоины в корпусе, 133 — в парусах, 16 повреждений в рангоуте, 148 — в такелаже, разбиты все гребные суда.
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.