Около 11 часов 30 минут, когда головной корабль русской эскадры подошел к противнику на дистанцию 3,5 каб., турки открыли огонь, который, однако, не причинил особого вреда русским. Предприняв движение на противника, русский авангард в 12 часов 00 минут сблизился с ним на дистанцию 0,5 каб. и, развернувшись влево, произвел мощный залп из всех орудий по заранее распределенным целям. Нескольким турецким кораблям были причинены серьезные повреждения. Повреждения в рангоуте и парусах получили и русские корабли «Европа», «Евстафий», «Три Иерарха», то есть те, которые входили в состав авангарда и первыми начали бой. Вслед за авангардом в бой вступили и корабли центра. Бой принял чрезвычайно напряженный характер. Особенно сильным ударам подвергались флагманские корабли противника. С одним из них, под названием «Реал-Мустафа», бой вел «Евстафий». Русский корабль причинил турецкому ряд серьезных повреждений, а затем сцепился на абордаж. В рукопашном бою на палубе неприятельского корабля русские матросы и офицеры проявили мужество и героизм. Так, один из русских матросов, имя которого неизвестно, при попытке овладеть турецким флагом был ранен в правую руку. Тогда он схватил флаг левой рукой. Когда же подбежавший янычар ударом сабли ранил ему и левую руку, матрос вцепился в полотнище флага зубами и не выпускал его до последнего вздоха. Ожесточенный абордажный бой на палубе «Реал-Мустафы» закончился победой русских.
Характеризуя действия линейного корабля «Евстафий» в Чесменском сражении, Орлов в донесении Екатерине II писал: «Все корабли с великой храбростью атаковали неприятеля, все с великим тщанием исполняли свою должность, но корабль адмиральский „Евстафий“ превзошел все прочие. Англичане, французы, венецианцы и мальтийцы восторгались терпением и неустрашимостью русских моряков. Несмотря на летающие снаряды и разные опасности, представляющие и саму смерть, смертных ужасающая, не были довольно сильны произвести робости в сердцах сражавшихся с врагом россиян, испытанных сынов отечества…»
Вскоре после захвата неприятельского флагманского корабля на нем возник пожар, который затем перебросился на «Евстафий»; когда огонь достиг крюйт-камеры, оба корабля взорвались. Адмирал Спиридов перед взрывом успел покинуть горящий корабль и перейти на другой. Гибель турецкого флагмана окончательно нарушило управление неприятельским флотом. В 13 часов турки, не выдержав атаки русских и боясь распространения пожара на другие корабли, поспешно начали рубить якорные канаты и отходить в Чесменскую бухту под защиту береговых батарей, где были заблокированы русской эскадрой.
Таким образом, в результате первого этапа сражения, продолжавшегося около двух часов, погибло по одному Кораблю с каждой стороны; инициатива целиком перешла к русским.
На военном совете 25 июня у графа Орлова был принят план Спиридова, заключавшийся в уничтожении турецких кораблей в собственной базе. Учитывая скученность кораблей противника, исключавшую для них возможность маневра, адмирал Спиридов предложил уничтожить турецкий флот комбинированным ударом корабельной артиллерии и брандеров, причем главный удар должна была нанести артиллерия. Для атаки противника 25 июня были оборудованы 4 брандера и создан специальный отряд под командованием младшего флагмана С. К. Грейга в составе 4 линейных кораблей, 2 фрегатов и бомбардирского корабля «Гром». Замысел атаки, разработанный Спиридовым, сводился к следующему. Корабли, выделенные для атаки, пользуясь темнотой, должны были в ночь на 26 июня скрытно подойти к противнику на дистанцию 2–3 каб. и, став на якорь, открыть внезапный огонь: линейные корабли и бомбардирский корабль «Гром» — по кораблям, фрегаты — по береговым батареям противника.
В полночь, когда все приготовления к бою были закончены, по сигналу флагмана корабли, назначенные для атаки, снялись с якоря и направились в указанные для них места. Подойдя на дистанцию 2 кабельтовых, русские корабли заняли места по установленной для них диспозиции и открыли огонь по турецким кораблям и береговым батареям. «Гром» и некоторые линейные корабли вели огонь главным образом брандскугелями. За линейными кораблями и фрегатами в ожидании атаки были развернуты 4 брандера.
В начале 2-го часа на одном из турецких кораблей от попавшего брандскугеля возник пожар, который быстро охватил весь корабль и начал перебрасываться на соседние корабли противника. Турки пришли в замешательство и ослабили свой огонь. Это создало благоприятные условий для атаки брандеров. В 1 час 15 минут 4 брандера под прикрытием огня линейных кораблей начали движение на противника. Каждому из брандеров был назначен определенный корабль, с которым он должен был сцепиться. Три брандера по различным причинам не достигли поставленной цели, и только один под командованием лейтенанта Ильина выполнил поставленную задачу. Под огнем противника он подошел к 84-пушечному турецкому кораблю и поджег его. Команда брандера вместе с лейтенантом Ильиным села в шлюпки и покинула горящий брандер. Вскоре на турецком корабле произошел взрыв. Тысячи горящих обломков разлетелись по всей Чесменской бухте, распространив пожар почти на все корабли турецкого флота. В эта время бухта представляла собой огромный пылающий факел. Турецкие корабли один за другим взрывались и взлетали на воздух. В 4 час русские корабли прекратили огонь. К этому времени почти весь турецкий флот был уничтожен. Из 15 линейных кораблей, 6 фрегатов, 50 вспомогательных судов уцелели и были захвачены русскими в плен, уцелели лишь один линейный корабль «Родос» и 5 галер. Русский флот потерь в кораблях не имел.
Таким образом, Чесменское сражение закончилось полным уничтожением турецкого флота, на который возлагалось много надежд. Оценивая это сражение, адмирал Спиридов в донесении президент Адмиралтейств-коллегий писал: «…Честь Всероссийскому флоту! 25 на 26 неприятельский военный флот… атаковали, разбили, разломали, сожгли, на небо пустили, потопили и в пепел обратили, а сами стали быть во всем архипелаге… господствующими».
Героями Чесмы стали адмирал Спиридов, по планам и под руководством которого русский флот одержал выдающуюся победу, младший флагман С. К. Грейг, произведенный после сражения в контр-адмиралы, командиры кораблей: капитаны I ранга Круз («Евстафий»), Клокачев («Европа»), Хметевский («Три Святителя»), лейтенант Ильин (командир брандера) и многие другие, удостоенные высоких наград.
Чесменское сражение представляет собой ярчайший пример уничтожения неприятельского флота в расположении его базы. Победа русского флота над вдвое превосходящими силами противника была достигнута благодаря правильному выбору момента для нанесения решающего удара, внезапности атаки в ночное время и неожиданному для противника применению брандеров и зажигательных снарядов, хорошо организованному взаимодействию сил, а также высоким морально-боевым качествам личного состава и флотоводческому искусству адмирала Спиридова, который смело отказался от шаблонно-линейной тактики, господствовавшей в то время в западноевропейских флотах. По инициативе адмирала были применены такие приемы боя, как сосредоточение всех сил флота против части сил противника и ведение боя на предельно короткой дистанции.
Победа русского флота в Чесменском сражении оказала большое влияние на дальнейший ход войны. Благодаря этой победе русский флот серьезно нарушил турецкие коммуникации в Архипелаге и установил эффективную блокаду Дарданелл.
В память о Чесменской победе была выбита медаль, которой награждались все участники сражения. Граф Орлов был награжден орденом Св. Георгия 1-й степени и получил почетное добавление к своей фамилии Чесменский; адмирал Спиридов получил высший орден Российской империи — Св. Андрея Первозванного; контр-адмирал Грейг был удостоен ордена Св. Георгия 2-й степени, давший ему право на потомственное русское дворянство. В честь этой победы в 1775 году в Гатчине был установлен Чесменский обелиск, а в 1778 году в Царском Селе — Чесменская колонна. В Петербурге в 1774–1777 годах был построен Чесменский дворец, а в 1777–1778 годах — Чесменская церковь. Имя «Чесма» в Российском флоте носили броненосец и линейный корабль. В честь лейтенанта Ильина были названы линейный крейсер и эсминец.