После полуночи русские корабли начали обстрел и подожгли один из неприятельских кораблей. Теперь и речи не могло быть о внезапности. Однако именно после первого пожара на турецком корабле Грейг приказал брандерам идти в атаку на вражеский флот. Видимо, контр?адмирал намеревался все же полностью выполнить принятый план; кроме того, не исключено, что он хотел уменьшить таким образом расход снарядов, запас которых можно было пополнять лишь из далекой России.
Атака брандеров началась успешно, ибо турки решили, что идущие к ним суда сдаются, и прекратили огонь. Вскоре они опомнились и выслали шлюпки, которые атаковали брандер Дугдаля и заставили его экипаж спасаться вплавь. Брандер Макензи сцепился с уже горевшим кораблем. Лишь лейтенанту Дмитрию Ильину удалось создать новый очаг пожара, а Гагарину с его брандером целей в полыхающей бухте уже не нашлось. Из пламени удалось вывести только корабль «Родос» и 6 галер. С остальными к утру было покончено. Из 15000 турок спаслось не более 4000, которые на берегу вызвали панику и общее бегство жителей.
Грейга за участие в истреблении турецкого флота при Чесме наградили орденом Святого Георгия 2?й степени, что давало ему звание дворянина. Позднее он участвовал в осаде крепости на острове Лемнос, затем в занятии острова Парос, который стал основной базой архипелагских экспедиций. Весной 1771 года, когда А. Орлов ездил в Санкт?Петербург, Грейг оставался в Ливорно, выполняя его поручения, и вместе с графом вернулся на флот. В начале августа экспедиция русского флота под флагом Орлова ходила к Негропонту (Эвбея) и запаслась пшеницей. Грейг снимал планы крепостей Дарданелл, участвовал в нападении на остров Митилена, завершившемся истреблением верфи, кораблей и судостроительных запасов. 24 октября 1772 года, командуя отрядом судов, Грейг произвел успешную высадку десанта в Хиосском проливе у крепости Чесма, где сжег предместье с магазинами.
В 1773 году контр?адмирал командовал эскадрой из 4 кораблей и 2 фрегатов, блокировавшей Дарданеллы, затем с графом А.Г. Орловым прибыл из Архипелага в Ливорно, откуда берегом вернулся в Россию. Приняв пятую Архипелагскую эскадру, он привел ее из Кронштадта в Ливорно.
В 1774 году моряка наградили орденом Святой Анны 1?й степени. По заключении мира с Турцией он отправился из Ливорно к Паросу, где принял на суда гвардейскую команду и возвратился в Ливорно. В этом порту моряк способствовал поимке претендентки на русский престол Елисаветы и доставил ее в Россию, за что был осыпан милостями Екатерины II. 10 июня 1775 года Грейга произвели в вице?адмиралы, 10 августа назначили на должность главного командира Кронштадтского порта. В 1775–1776 годах он командовал кронштадтской эскадрой у Красной Горки, в 1776 году был награжден орденом Святого Александра Невского.
В 1777–1778 годах, командуя флотской дивизией, Грейг состоял в должности главного командира Кронштадтского порта. Этот период ознаменован внедрением на флоте ряда его предложений (новые фонари для крюйт?камер, обмазка подводной части судов смолой в смеси с серой, обшивка днищ медными листами) Моряк подготовил чертежи 66?пушечного корабля. 19 сентября 1782 года по этим чертежам был заложен в Архангельске и 16 мая 1784 года спущен на воду корабль «Изяслав». Корабль прослужил до 1808 года, участвовал во многих походах и сражениях при Гогланде, Эланде, Ревеле и Выборге. Очевидно, конструкция оказалась удачной, ибо при Гогланде «Изяслав» получил 180 пробоин, но не потерял боеспособность. По этому проекту в Архангельске корабельные мастера Портнов и Игнатьев построили в 1788–1797 годах корабли «Пармен», «Никанор», «Пимен», «Иона», «Филипп», «Граф Орлов», «Азия» и «Победа».
28 июня 1782 года Грейга произвели в адмиралы, он получил орден Святого Владимира. В 1785 году ему было поручено следить за перенесением адмиралтейства из Санкт?Петербурга в Кронштадт.
В 1783 году С.К. Грейг был избран почетным членом Санкт?Петербургской академии наук.
1787 год принес России новое столкновение с Турцией. Как и в предыдущей войне, предполагалось устроить поход на Средиземное море, поднять там восстание подвластных туркам христианских народов. Уже в конце 1787 года началась подготовка средиземноморской эскадры С.К. Грейга. После ухода основных сил Балтийского флота столица оставалась почти беззащитной перед флотом Швеции. Воспользовавшись удачным стечением обстоятельств, шведский король Густав III решил вернуть земли, потерянные Швецией в первой половине XVIII века. Однако король пошел на прямую агрессию ранее, чем Средиземноморская эскадра оставила Балтику. Грейг со всеми готовыми кораблями вышел в море и 6 июля у Гогланда встретил шведский флот.