Утром 24 июня, при легком ветре, эскадра выстроилась в боевую линию и пошла на противника. В 11.30 передовой корабль «Европа» приблизился на три кабельтова к неприятелю, турки открыли огонь из всех орудий. Русские не отвечали, исполняя приказ подойти на пистолетный выстрел; только с расстояния 80 саженей (около 170 метров) они дали один за другим три залпа, заставившие передовые турецкие корабли ослабить огонь.

По диспозиции требовалось встать на шпринг, убрав паруса. Но поврежденная «Европа» отвернула с курса, «Святой Евстафий» из-за маловетрия не смог повернуть оверштаг и свалился на турецкий флот. Корабль «Три Святителя», пройдя под огнем, также не смог встать на якорь, прорезал неприятельскую линию, пострадал от турецких выстрелов и вышел на наветренную сторону. Первым кораблем, занявшим свое место по диспозиции, стал «Трех Иерархов». Корабль Грейга расположился вблизи неприятеля и открыл огонь по 100-пушечному кораблю капудан-паши из пушек, ружей и даже пистолетов. Под сокрушительным огнем турки в панике обрубили якорный канат, но забыли шпринг, и Грейг четверть часа расстреливал продольным огнем развернувшийся кормой турецкий корабль.

«Святой Евстафий» сражался с 3 кораблями и шебекой. В жестоком бою капитан А. И. Круз зажег и взял на абордаж неприятельский флагман «Реал-Мустафа», но пламя перекинулось на «Святой Евстафий», и он взорвался от головни, попавшей в крюйт-камеру; за ним взлетел на воздух и «Реал-Мустафа». Горящие обломки осыпали соседние корабли. От Грейга потребовались немалые усилия, чтобы уберечь флагманский корабль от пламени. Посланные с «Трех Иерархов» шлюпки поднимали из воды моряков, уцелевших при гибели «Святого Евстафия».

Вскоре после двух взрывов, около 14.00, под русским огнем турецкие корабли устремились в Чесменскую бухту. Посланный на разведку бомбардирский корабль «Гром» обнаружил, что они беспорядочно сгрудились в глубине бухты, и лишь 4 составляют линию у ее входа. «Гром» до сумерек обстреливал противника, после чего вернулся к эскадре. В то же время Грейг с корабля «Трех Иерархов» обстреливал батарею на южном берегу Чесменской бухты, а пакетбот «Почталион» держался под парусами у днищ взорванных кораблей, не допуская турок поднимать с них орудия.