На рассвете 10 мая в 5 ч.40 м. к Босфору для обстрела его укреплений направились линейные корабли "Три Святителя" под флагом контр-адмирала Путятина и "Пантелеймон" с эскадренными миноносцами и тральщиками. "Евстафий" (флагманский), "Иоанн Златоуст" (флаг вице-адмирала Новицкого) и "Ростислав" остались в прикрытии в 20-25 милях от пролива. Крейсера "Память Меркурия" и "Кагул" несли дозор мористее.
Около 6 ч. 00 м. 10 мая командиру "Гебена" капитану 1-го ранга Акерману доложили радиограмму с турецкого эсминца "Нумуне": "Семь русских боевых кораблей в квадрате 228, курс юго-восток." Командир линейного крейсера (Сушон в этот раз остался в Константинополе), предполагая разделение сил противника, решил его атаковать.
Линейный крейсер "Гебен". Пробоина в батарейной палубе, полученная после боя 10 мая 1915 г.
Видимость была хорошая, и около 7 ч. 00 м. "Память Меркурия" обнаружил дым и через некоторое время опознал подходящий с востока "Гебен". Русский крейсер немедленно донес командующему флотом на "Евстафий" о противнике и полным ходом пошёл на сближение с основными силами.
В 7 ч. 05 м. вице-адмирал Эбергард приказал "Трём Святителям" и "Пантелеймону" прекратить обстрел укреплений и присоединиться к эскадре, а сам с тремя кораблями пошёл к ним навстречу. Контр-адмирал Путятин, распорядившись убрать тралы, медленно разворачивался с "Тремя Святителями" и "Пантелеймоном" в протраленном пространстве, так что этот маневр занял 18 минут. Однако соединиться русские корабли не успели.
Чтобы не вести бой на отходе и не подставлять под удар слабый концевой "Ростислав", вицеадмирал Эбергард последовательно повернул свои корабли навстречу противнику и вступил в бой с быстро приближавшимся "Гебеном", когда остальные два линейных корабля находились ещё в двух милях позади. "Евстафий", имея в кильватере "Иоанн Златоуст" и "Ростислав", привел "Гебен" на курсовой угол 110° правого борта и в 7 ч. 53 м. с дистанции 17400 м (94 каб.) открыл централизованный огонь четырёхорудийными залпами ("Ростислав" огня не открывал) по одному выстрелу из каждой башни. "Гебен" в свою очередь лег на параллельный курс и также открыл огонь из орудий главного калибра, сосредоточив его на "Евстафии".
"Гебен" в течение 22 минут с дистанции 1600014500 м (86-79 каб.) стрелял по "Евстафию" пятиорудийными залпами (по одному орудию из каждой башни), но стрельба немцев в этот раз оказалась неэффективной. Залпы "Гебена" ложились очень кучно – вначале недолётами, а потом прямо по носу "Евстафия", входящего в водяные столбы от падения немецких снарядов главного калибра. Однако попаданий не было: по приказанию адмирала Эбергарда флагманский корабль шёл зигзагом, изменяя также и скорость в пределах 10-12 узлов. В свою очередь старшие артиллерийские офицеры "Евстафия" и "Иоанна Златоуста" лейтенанты Невинский и Смирнов в первые минуты боя не смогли поразить "Гебен": снаряды из сосредоточенных четырехорудийных залпов разрывались о воду недолётами. Зато они мешали немцам корректировать стрельбу. Русские утверждают, что в их корабли попаданий не было, хотя с "Гебена" видели три попадания.
"Три Святителя" и "Пантелеймон" присоединились к эскадре на дистанции 14 800 м (80 каб.) от немецкого линейного крейсера. Ход боя переломил "Пантелеймон", который в 8 ч. 05 м. обогнал "Ростислав", стремясь занять третье место в строю русской эскадры. Согласно журналу "Гангут" N10 (с.34), старший артиллерийский офицер "Пантелеймона" лейтенант Мельчиковский в 8 ч. 08 м. вторым залпом с дистанции более 18500 м (100 каб.) накрыл "Гебен", добившись попаданий в среднюю часть корабля. Снаряд разорвался у нижней кромки главного броневого пояса, вызвал затопление бортового коридора и, подняв столб воды, который ударил по стволу 150-мм орудия в каземате № 2, временно вывел его из строя.
Приведя "Гебен" на курсовой угол 75°правого борта, корабли русской эскадры открыли по нему сосредоточенный огонь. Вскоре в "Гебен" попало ещё два снаряда. Один прошел через бак в жилую палубу, пробил нижнюю палубу, но серьезных повреждений не нанес. Другой попал в укладку противоторпедной сети, так что она свесилась за борт. Экипаж потерь не понес. Согласно Hildebrand [7], "Гебен" получил два попадания снарядами крупного калибра, которые однако не нанесли ему серьезных повреждений. Русские корабли удачно сконцентрировали огонь на "Гебене" и добились трех попаданий 305-мм снарядами.