В 3 часа дня оба флота шли параллельно друг другу. Ушаков стал сокращать дистанцию. Русские корабли имели меньше дальнобойных орудий, поэтому русский флотоводец стремился максимально сблизиться с врагом, чтобы использовать всю корабельную артиллерию. Также Фёдор Фёдорович стремился сосредоточить огонь на вражеских флагманах. Он писал: «Флот наш гнал неприятеля подо всеми парусами и бил его беспрестанно». В итоге турецкие флагманы сильно пострадали. Несколько часов продолжалась перестрелка и погоня. В темноте турецкие корабли, пользуясь преимуществом в скорости, скрылись. Османы шли без огней и меняли курс, чтобы оторваться от русских. Так им удалось сбежать в ходе Керченского сражения.

Однако в этот раз им не повезло. Утром 29 августа (9 сентября) русские снова обнаружили врага. Турецкий флот во время бегства был рассеян на большом пространстве. Османы были деморализованы и не решились дать бой. Турецкий адмирал дал сигнал на соединение и отход. Противник пытался уйти к Босфору. Часть турецких кораблей имела сильные повреждения, поэтому утратила преимущество в скорости и заметно отстала от главных сил. В 10 часов русский корабль «Андрей» нагнал турецкий младший флагман — 80-пушечный корабль «Капудания». Это был корабль Саид-бея. За «Андреем» подошли корабли «Георгий» и «Преображение». Вражеский флагман окружили и обстреляли. Османы упорно отбивались. Тогда русский флагман «Рождество Христово» подошёл к «Капудании» на расстоянии пистолетного выстрела (30 саженей) и «в малейшее время нанёс ему наижесточайшее поражение». Турецкий корабль горел и потерял все мачты. Турки капитулировали. В плен взяли адмирала Саид-бея, капитана корабля Мехмета и 17 штабных офицеров. Корабль спасти не удалось, он взорвался.

В это же время другие русские корабли нагнали и заставили сдаться 66-пушечный корабль «Мелеки-Багари». Позднее его отремонтировали и ввели в состав русского флота под названием «Иоанн Предтеча». Также было захвачено несколько небольших судов. По пути к Босфору из-за повреждений затонул ещё один 74-пушечный линейный корабль османов и несколько малых судов.

Эскадра Ушакова одержала полную победу над противником. Враг бежал и потерял три линейных корабля. Османы были разбиты и деморализованы, потеряли, по разным оценкам, от 2 до 5 тыс. человек (около 700 человек попали в плен). Турецкие корабли были переполнены: из-за постоянного бегства людей набирали избыточные экипажи (плюс солдаты). Русские потери были минимальны: 46 человек убитыми и ранеными.

Русский флот захватил инициативу на море. Значительная часть Чёрного моря была очищена от врага. Лиманская флотилия смогла оказать помощь сухопутным силам, которые взяли крепости Килия, Тульча, Исакчи и Измаил. Ушаков продемонстрировал в бою решительную маневренную тактику. Светлейший князь Григорий Потемкин выражал восторг от победы Ушакова и писал: «Наши благодаря богу такого перцу задали, что любо. Спасибо Федору Федоровичу». Русский флотоводец был награждён орденом Св. Георгия 2-й степени.