Утром 16 августа, установив свою артиллерию на высотах восточное Черной, русские двинули передовые части вниз, в долину. Еще не рассвело, и густой туман способствовал внезапному нападению, как это было при Инкермане. Передовые посты союзников были тут же отброшены, и к рассвету предмостное укрепление и весь восточный берег реки оказались в руках русских, которые продолжали бой с двумя французскими полками за овладение мостами. Затем 7-я и 12-я дивизии русских, расположенные как раз напротив французских дивизий Каму и д'Эрбийона, спустились в долину двумя сомкнутыми колоннами; здесь они перестроились в штурмовые колонны и двинулись вперед двумя отдельными группами: 7-я дивизия, переправившись через реку и Водопроводный канал вброд и по наспех наведенным перекидным мостам, двинулась против Каму; 12-я дивизия, часть которой осталась в резерве, наступала на д'Эрбийона по Трактирному мосту, защитники которого были мгновенно отброшены значительно превосходящими их силами русских. Русские продвигались через Водопроводный канал и вверх по склону высоты с невиданной для них быстротой и воодушевлением. 7-я дивизия русских уже почти достигла вершины холма, когда войска Каму, развернутые в линию, дали по ней залп и ударили с фланга и с тыла с такой силой, что русские тут же повернули и под убийственным огнем бросились обратно через реку; 7-я дивизия, если можно верить Пелисье, больше на поле боя во время этого сражения не появлялась. В центре 12-й дивизии удалось взобраться на высоты и вклиниться в расположение нескольких французских полков. Один момент исход сражения казался неясным, но в это время д'Эрбийон приказал одной бригаде из дивизии Фошё атаковать левый фланг русских колонн, и после непродолжительной схватки русские были отброшены вниз по склону холма, а французы стали их преследовать и на короткий срок отбили мост.
Горчаков, однако, подготовил новую атаку. Часть 12-й дивизии и 5-я дивизия спустились в долину, где под их прикрытием отступившие войска перегруппировались, а затем вся 12-я и 5-я дивизии двинулись вперед во вторую атаку. Они перешли реку по мосту и вброд справа и слева от него и энергично бросились на центральные позиции союзников (дивизии д'Эрбийона и Фошё). Но к этому времени французы уже установили всю свою артиллерию; она обстреливала в лоб русские колонны, в то время как сардинская артиллерия вела по ним огонь с фланга. Несмотря на этот убийственный огонь, русские упорно и быстро продвигались вперед и снова достигли высот. Там их встретили французы, которые развернулись в линию несколько позади гребня высоты. Как только передние шеренги колонн показались на самом гребне, французы дали по ним залп и атаковали их в штыки в лоб и с фланга. Схватка была такой же непродолжительной, как и в первый раз. Русские, преследуемые ружейным и артиллерийским огнем союзников, отступили и в беспорядке бросились обратно через реку. Это второе поражение русских фактически решило исход сражения. В атаке участвовало три пятых их пехоты, и они не могли надеяться на прибытие на поле боя свежих подкреплений; у союзников в сражении тоже приняли участие три дивизии из пяти, но на помощь им спешили подкрепления из лагеря под Севастополем. Пелисье вызвал еще две армейские и одну гвардейскую дивизии, и они уже подходили. Было примерно 8 часов утра.
Несмотря на такое неравенство сил, Горчаков решил предпринять еще одну атаку. Теперь должна была выдвинуться 17-я дивизия и образовать ядро той части разбитых войск, которая еще могла быть брошена против врага. Направление атаки было опять перемещено влево; на этот раз русские ударили по дивизии Фошё. Но безрезультатно. Перекрестный огонь французской и сардинской артиллерии нанес им значительные потери еще до того, как они успели дойти до вершины высоты; и снова французские войска рассеяли колонны русских и отбросили их на противоположный берег реки, а пьемонтцы (дивизия Тротти) охватили их с фланга и завершили победу. Оставались нетронутыми только части 4-й и 6-й дивизий, численный состав которых равнялся примерно одной дивизии. Бросать их в наступление было бесполезно. Поражение представлялось несомненным, и русские, выдвинув вперед артиллерию, начали отступление. Собственные позиции русских были настолько сильны, что Пелисье ясно понимал, что атака на них невозможна; поэтому их подвергли лишь артиллерийскому и ружейному обстрелу. По сравнению с союзниками потери русских в этом сражении были огромны. Они потеряли около 5000 убитыми, ранеными и пленными, союзники — лишь около 1500 человек. Причиной этого явилось то, что русские вынуждены были вести все свои атаки под сильнейшим огнем артиллерии союзников, особенно пьемонтцев; шестнадцатифунтовые пушки пьемонтцев трудно перевозить, однако, будучи установленными на позиции, они ведут исключительно эффективный огонь.