Корабли из Сухум-Кале прибыли 17 августа, и спустя четыре дня Сарычев снова отправился в море. В его распоряжении был флот из восьми линкоров, пяти фрегатов и четырех небольших судов15. Вероятный список: «Ратный» 110, «Полтава» 110, «Ягудиил» 110, «Дмитрий Донской» 74, «Мария» 74, «Анапа» 74, «Правый» 74, «Варахаил» 66, «Крепкий» 54, «Назарет» 44, «Лилия» 36, «Воин» 32, корвет «Або», бриги «Алексей», «Елизавета», «Лаврентий».
Теперь обязанности Сарычева расширились. С одной стороны, он должен был навязать бой турецкому флоту, если, конечно, получится, с другой – поддержать атаку армии на Варну. Находясь в районе мыса Калиакра, в 25 милях к северо-востоку от Варны, 23 августа он послал «Воина» и «Або» на разведку. Первый вернулся с информацией, что в Варне находится лишь несколько небольших торговых судов, а второй доложил, что берег между Варной и мысом все еще в руках турок. И снова Сарычев решил вернуться в Севастополь и с этим намерением 24-го покинул якорную стоянку. И снова его задержал встречный ветер и плохие мореходные качества кораблей, в первую очередь линкоров «Ратный» и «Варахаил». Дошло до того, что через пять дней после выхода в море русские корабли, по сути, оказались дальше от дома, чем были вначале.
Флот Сарычева находился в 15 милях к востоку от Варны и шел правым галсом при северо-восточном ветре, когда 29 августа в три часа пополудни с «Воина» заметили противника с наветренной стороны. На рассвете турецкий флот показался с зюйд-зюйд-оста, тоже на правом галсе, но в беспорядке. Надеясь пройти на ветре, Сарычев приказал перейти на левый галс, и сначала создалось впечатление, что у него все получится. Однако в шесть часов утра ветер переменился, и турки оказались с наветренной стороны. Они даже не пытались атаковать и продолжали двигаться на ветер. Русские организовали преследование. Сарычев отрядил свои лучшие корабли – «Дмитрий Донской», «Полтава», «Мария» и «Лилия» под командованием контр-адмирала Клокачева, рассчитывая, что они смогут догнать хотя бы самый тихоходный из турок и навязать бой.
Около пяти часов пополудни, после погони, длившейся весь день, Клокачев все же сумел отрезать от основных сил два турецких корабля, линкор и фрегат. Он приказал «Анапе» повернуть на другой галс, но одновременно турецкий командир повернул оверштаг и поспешил на помощь оказавшемуся под угрозой арьергарду. Это заставило «Анапу» спуститься под ветер, оказавшись с подветренной стороны от противника. Корабли обменялись несколькими выстрелами, но Сарычев не захотел идти на риск ночного боя и в шесть часов дал сигнал, отзывающий передовую группу. Ночью он не стал поддерживать контакт с противником, а всего лишь старался держаться между турецкими кораблями и Варной. В итоге на рассвете 30 августа турок уже нигде не было видно. Предположив, что они идут к Босфору, Сарычев повел корабли обратно в Севастополь, куда они прибыли 8 сентября.