林成棟在達達尼爾海峽北段完成臨時錨地建立後，得到了一日半的休整和補給。蘇瑾的新命令是：愛琴海艦隊繼續北上，進入馬爾馬拉海，掃清奧斯曼和羅剎的海上力量，為北線軍的海上側翼開啟通道。林成棟沒有耽誤，在補給完成後即率艦隊北上，於第六十一日清晨進入馬爾馬拉海。
馬爾馬拉海是一座東西狹長的內海，北岸是奧斯曼帝國的核心行省，南岸是安納托利亞半島。它的最窄處僅五十餘里，艦隊進入後如同鑽入一條被陸地包圍的水道。林成棟知道，進入馬爾馬拉海意味著把整個艦隊送到了奧斯曼帝國的腹地之中。奧斯曼人必然調動一切海上力量進行攔截，任何一條船在這裡被擊沉，都沒有退路。
卯時三刻，林成棟的艦隊在馬爾馬拉海西端遇上了奧斯曼的主力艦隊。奧斯曼帝國在達達尼爾海峽陷落後，將黑海艦隊的一部分南調至馬爾馬拉海，與奧斯曼本土艦隊會合，組成了一支超過二十艘戰艦的大編隊。林成棟從望遠鏡中看到，奧斯曼艦隊的陣形龐大但不混亂，中央是三艘大型炮艦，兩翼各有一列中型炮艦和火攻船，後方還有數艘速度較快的輕型哨船來回游弋。奧斯曼艦隊旗艦上升著巨大的血月旗，在晨光中紅得刺眼。
“二十多艘船。”林成棟對副官說，“奧斯曼人把家底都拿出來了。看來伊斯坦布林就在附近，他們不能讓我們靠近北岸。這場仗比達達尼爾更兇險，但達達尼爾我們都打下來了，馬爾馬拉海也不是不能過。”
他停頓了一下，繼續下令：“全艦隊分成三隊。前衛艦隊從正面推進，吸引奧斯曼中央炮艦的火力。中央梯隊繞向東側，從奧斯曼艦隊右翼切入。後衛艦隊掩護補給船，從西南方向繞行，避開主戰場，首接向馬爾馬拉海北岸的伊斯坦布林方向推進。我們要做的不是在這裡和他們糾纏，而是首接打向伊斯坦布林。奧斯曼人捨不得伊斯坦布林被炮擊，他們的艦隊自然會亂。”
卯時六刻，大胤艦隊開始行動。前衛艦隊以五艘炮艦向奧斯曼中央正面推進，穿甲彈在晨光中劃出密集的彈道，向奧斯曼大艦轟擊。奧斯曼艦隊的炮火同時猛烈還擊，馬爾馬拉海上炮聲如雷，水柱和硝煙籠罩了整片海面。大胤前衛艦隊在正面與奧斯曼艦隊對轟，雖然火力不如對方密集，但前衛艦隊的隊形更靈活，左右穿插中不斷用舷炮打擊奧斯曼艦隊的側翼。中央梯隊從東側繞行，在奧斯曼艦隊右翼打開了一個缺口，將奧斯曼右翼的數艘炮艦分割出去。
奧斯曼艦隊右翼被切後，隊形開始混亂，但中央的大艦仍然穩在原地，用重炮持續轟擊大胤前衛艦隊。林成棟所在的後衛艦隊帶領補給船從西南方向繞行，避開了主戰場，向馬爾馬拉海北岸方向迅速推進。奧斯曼人很快發現了大胤後衛艦隊的意圖，兩艘速度較快的哨船和數艘火攻船從中央艦隊中分出，向大胤後衛艦隊追來。林成棟命令後衛艦隊中的三艘炮艦轉身迎擊，用霰彈和火銃轟擊追兵。火攻船在追擊中被霰彈打中，接二連三在海上燒成火球，黑煙滾滾。奧斯曼哨船見勢不妙，掉頭撤回主陣。
“繼續向北。”林成棟站在“定遠號”上，“伊斯坦布林就在眼前。”
辰時西刻，大胤後衛艦隊接近了馬爾馬拉海北岸。遠處己經能看到伊斯坦布林城的尖塔和城牆輪廓，奧斯曼帝國的心臟城市在海霧中若隱若現。林成棟命令後衛艦隊在伊斯坦布林外海排成炮擊隊形，用艦炮向奧斯曼帝國的都城實施第一輪象徵性炮擊。數發穿甲彈越過海面，砸在伊斯坦布林外城牆和附近港口區，濃煙從城牆外升起。奧斯曼艦隊的主力在馬爾馬拉海西端聽到伊斯坦布林方向的炮聲後，立即放棄與大胤前衛艦隊的糾纏，拼命回援。林成棟看到奧斯曼主力回援，立即命令後衛艦隊掉頭，向大胤前衛和中央梯隊方向會合，全艦隊重新集結，堵住奧斯曼主力北上的航道。
海戰打到午時，奧斯曼艦隊在回援途中遭到大胤前衛艦隊從側翼的猛烈打擊，數艘炮艦被穿甲彈擊穿船殼，沉入馬爾馬拉海。奧斯曼艦隊為了回援伊斯坦布林付出了慘重的代價，在丟棄了數艘火攻船和兩艘中型炮艦後，殘餘戰艦勉強退回伊斯坦布林港內。林成棟沒有下令追擊入港，因為伊斯坦布林港內有岸防炮臺和永固工事，大胤艦隊沒有必要在狹窄的海面上強行攻堅。
“今天我們讓奧斯曼人知道，大胤的炮能打到伊斯坦布林城牆。”林成棟站在“定遠號”上，望著伊斯坦布林方向升起的濃煙，“明天或後天，我們會把炮打進伊斯坦布林城內。傳令全艦隊在馬爾馬拉海北岸外海游弋，封鎖伊斯坦布林海上出入口。蘇瑾陛下說了，羅剎、奧斯曼、東麗、贏桑，一個都別想逃。這場海戰要打到歐洲沒有一艘船還能出海。”
