Группа поддержки поставила параваны и разделилась – авангард в составе двух лидеров («Харьков» и «Москва») прибавил ход до 20 узлов (с более высокой скоростью параваны можно было потерять), а эсминцы проекта 7у уравняли ход с ударной группой, также снизив его до 10 узлов.
В условленное время – 5.00 – оба лидера повернули на курс 221°. Через четыре минуты корабли вышли в точку поворота на боевой курс. Лидер "Москва" открыл огонь главным калибром с третьим залпом "Харькова" – пятиорудийная стрельба со скорострельностью 10 с. Огонь велся без корректировки, но после первых же залпов на берегу взметнулось пламя большого пожара в районе нефтяных баков.
В 5.04 ответный огонь по лидерам открыли плохо различимые в утренней дымке на фоне берега румынские эсминцы "Реджина Мария" и "Мэрэшти", несшие дозорную службу. Румынские эсминцы медленно двигались на север, а их залпы, принятые на лидерах за огонь береговых батарей, ложились с недолетом.
В 5.06 на головном лидере заметили две орудийные вспышки 280-мм батареи "Тирпиц". Первый залп лег с перелетом в 10 кбт от "Москвы", второй двухорудийный – уже с перелетом в 5 кбт, а третий залп накрыл "Москву" с недолетом 1 – 1,5 кбт. С лидера "Харьков" на "Москву" поступил сигнал по УКВ об отходе.
"Москва", прекратив в 5.12 огонь и поставив дымзавесу, резко отвернула на курс отхода. Курс вел к южной кромке заграждения, и неожиданный отворот лидера сбил стрельбу противника. Считая опасность от артиллерийского огня большей, чем от мин, командир лидера А.Б.Тухов приказал увеличить ход до 30 узлов и уходить противоартиллерийским зигзагом. В кильватер "Москвы" противоартиллерийским зигзагом шел лидер "Харьков". При маневрировании оба лидера потеряли как левый, так и правый параван, что неминуемо и должно было произойти при таких ходах.
Тем временем, летчики прибывшего по расписанию в воздушное пространство Констанцы 2-го мтаб высоты в 5000 метров тоже обнаружили батарею, и эскадрильи развернулись в боевой порядок. В каждом звене ДБ-3Ф комэска нес по две 1000-кг бомбы, а другие самолеты звена – по четыре 500 кг бомбы. Первые две эскадрильи отбомбились с высоты 3000 метров безуспешно, и комполка дал команду бомбить с малых высот. От зенитного огня было потеряно 12 самолетов, но все три орудия батареи «Тирпиц» были уничтожены.
Эсминцы проекта 7у соединились с Лидерами, и группа поддержки взяла курс на румынских эсминцев. Румыны боя не приняли и отошли.
Тем временем тральщики ударной группы подошли к месту описываемых событий и принялись прогрызать проходы в минной банке, достаточные прохода в порт ударнй группы.
Линкор и крейсера, находясь за пределами действия береговых батарей «Мирча», «Тудор», «Михай», «Елизабета» и «Аурора» и пользуясь превосходством в дальности, открыли огонь на их подавление. Авиация ВВС ЧФ на СБ и ДБ-3Ф и корректировала огонь, и добавляла сверху от себя.
Зенитчики с побелевшими костяшками рук всматривались во вражеское небо, но самолеты противника пока на расправу с советскими моряками не спешили. К 8:00 фарватер порта был расчищен, и по нему рванулись шесть эсминцев. За ними в акваторию неспешно втянулись линкор и крейсера. Ринувшиеся им наперерез торпедные катера были потоплены ураганным огнем эсминцев охранения, которые затем перешли к работе по специальности – торпедным атакам. К 10–00 все военные и гражданские суда в акватории порта были потоплены торпедами и артиллерийским огнем. Портовым сооружениям был причинен существенный ущерб.
Выпустив боекомплект, корабли взяли обратный курс. Нефтеперерабатывающей промышленности Румынии был нанесен удар, от которого она оправилась только через три месяца.
Ни одного самолета над эскадрой так и не появилось. Румынские бомбардировщики в условиях господства краснозвездной авиации в небо не поднялись. Рейд был завершен без потерь.
