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 11100 м (60 каб.), тогда как она фактически равнялась приблизительно 7400 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 7000-7200 (38-39 каб.) открыл огонь по "Евстафию" пятиорудийными залпами (по одному орудию из каждой башни).

Линейный крейсер "Гебен". (Схема бронирования в районе мидель-шпангоута)

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…"

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 6400-7300 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.

Остальные русские корабли вели огонь только тогда, когда видели противника, но попаданий не достигли. "Иоанн Златоуст" выпустил 6 снарядов калибра 305 мм на прицеле 11100 м (60 каб.). "Пантелеймон" же не сделал ни одного выстрела из орудий главного калибра. "Три Святителя", отставший и повернувший позже, видел весь бой лучше "Пантелеймона" и сделал 12 выстрелов на прицеле 11100 м (60 каб.), потом перешёл на самостоятельный прицел. Таким образом, бой с "Гебеном" фактически вёл один "Евстафий".

В 12 ч. 35 м. "Гебен" снова начал поворот вправо и вскоре скрылся окончательно. Корабли русской эскадры ещё некоторое время шли прежним курсом, а затем начали поворот вправо с целью погони. Однако на курсе был обнаружен плавающий предмет, принятый за мину. Опасаясь подрыва, Эбергард приказал отвернуть влево. Пройдя ещё некоторое время на север, русская эскадра направилась в Севастополь.

Бой у мыса Сарыч продолжался всего 14 минут и проходил на дистанции 7400-6500 м (40-34 каб.). Согласно [11], "Гебен" в ходе боя получил 14 попаданий снарядов крупного и среднего калибра. На нем было убито 105 человек и ранено 59. На "Евстафии" имелись пробоины в броневых плитах двух казематов орудий среднего калибра, были также повреждены отдельные помещения и вспомогательные механизмы, убиты 4 офицера и 29 матросов и ранены 1 офицер (позднее скончался от ран) и 24 матроса.

Этот бой убедил турецко-немецкое командование в достаточной силе русской эскадры линкоров-додредноутов, и сознание того, что у русских скоро вступят в строй линейные корабли "Императрица Мария" и "Екатерина II", которым надо будет что-то противопоставить, заставило его избегать решительных действий. Поэтому "Гебен" никогда не выходил в море со старыми турецкими броненосцами, так как последние своим малым ходом могли вынудить его принять бой в невыгодных для него условиях. Отсутствие в Константинополе подходящего дока для ремонта делало его еще более осторожным.

С 6 по 12 декабря 1914 г. из Босфора в Ризе проследовали 4 турецких транспорта в охранении легкого крейсера "Меджидие". На переходе морем транспорты прикрывал "Гебен", на котором находился военный министр Турции Энвер-Паша. 10 декабря "Гебен" и минный крейсер "Пейк" подошли к Батуми и с дистанции 15000 м (81 каб.) обстреляли порт. Линейному крейсеру отвечали крепостные орудия. Из-за дальности расстояния огонь обеих сторон был безрезультатным. 12 декабря все транспорты и боевые корабли возвратились в Босфор.