Атака на турецкий флот началась в лунную ночь с 25 на 26 июня. Незадолго до полуночи корабли сопровождения вошли в бухту; линкор «Европа», первым подошедший к врагу, почти 30 минут сражался с турецкими кораблями, поджидая подмогу. Когда загорелся один из турецких кораблей, брандеры по сигналу с линкора «Ростислав» под попутным ветром помчались на вражеский флот, стоявший беспорядочно. Интересно, что турки, ждавшие в бухте эскадру из Стамбула, которая, как они знали, уже вышла им на подмогу, не видели в атаке русских опасности. Гассан-бей был убежден: русские испугались гнева великого султана и решили сдаться. Поэтому турецкие моряки просто смотрели на свою приближающуюся гибель и предвкушали, как они закуют русских перебежчиков в кандалы и привезут султану в дар.
Брандерам Дугдаля, Маккензи и Гагарина не повезло: на первый напали турецкие галеры, а береговая артиллерия уничтожила опасный корабль, не позволив ему добраться до цели; Дугдаль, хотя и тяжело раненный (взрывом его сбросило в воду и переломало ему ноги), и команда спаслись. Корабль Маккензи сел на мель; капитан приказал артиллеристу поджечь его. Зарево ослепило береговую артиллерию турок, а отважный Маккензи приказал направить шлюпку не к своим кораблям, а к турецким, и захватил в плен две галеры. Брандер мичмана Гагарина тоже был уничтожен прежде, чем смог нанести туркам значительный урон, тем более что он шел последним, и, когда добрался до намеченной цели, она уже пылала. Но их неудачи полностью искупились воинской фортуной лейтенанта Ильина, который, как и было задумано, подвел брандер вплотную к борту 84-пушечного линкора, закрепил его, поджег и, отведя шлюпку подальше «без всякой торопливости с присутствием духа», отдал команду сушить весла, чтобы издали понаблюдать за делом рук своих. Турецкий флот, уже не имевший возможности сопротивляться, стоял, объятый пламенем в глубине Чесменской бухты. Пожар длился всю ночь; последние корабли взорвались лишь утром, часов около 9, когда огонь, наконец, добрался до пороховой камеры.
Турки в Архипелаге были разгромлены, а русские, отныне господствовавшие в Эгейском море, получили возможность блокировать Дарданеллы, угрожая голодом Стамбулу, столице Высокой Порты. Турецкий гарнизон, державший крепость Чесму, бежал в Смирну, неся весть о разгроме; за ним последовало и гражданское население, ожидавшее от русских расправы. Когда утром главнокомандующий с братом Федором и Грейгом на парусном катере вышли к месту сражения, то увидели страшную картину: водная гладь бухты была покрыта обгоревшими останками кораблей и мертвыми обожженными телами. Князь Ю.В. Долгоруков в своих воспоминаниях описывает вид бухты после Чесменского побоища: «Почти не можно себе вообразить сего ужасного зрелища, кое мы видели в Чесменском порте. Начать, что вода, смешанная с кровью и с золою, получила прескверный вид; люди обгорелые, разным видом лежащие между обгорелых обломков, коими так порт наполнился, что едва на шлюпке мы могли проезжать»>{102}.
По приказу А.Г. Орлова всех раненых турок, коих было множество, вытащили из воды и оказали им помощь, перевязав раны. Как только они шли на поправку, именем Ее Императорского Величества Екатерины II Алексей Орлов даровал им свободу и отпускал восвояси. В захваченной Чесме, портовом и промышленном городе, русский победоносный флот взял богатые трофеи. Военные же трофеи позволили восполнить потерю линкора «Евстафия»: вместо него, по приказанию графа А.Г. Орлова, в число русских кораблей был зачислен 60-пушечный линейный корабль «Родос», принадлежавший туркам и единственный избежавший участи других турецких судов. Алексей Григорьевич отрапортовал о блестящей победе императрице, в Петербург (правда, добрые вести были получены в России с большим опозданием, только к 13 сентября), и отписал о происшедшем своему брату Григорию с юмором: «Государь братец, здравствуй! Скажу тебе немного о нашем плавании: …со флотом за неприятелем пошли, до его дошли, к нему подошли, схватились, сразились, разбили, победили, поломали, потопили, сожгли и в пепел обратили. Я, ваш слуга покорный, здоров и брат тако-же, чего и вам оба желаем…»