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.