Когда основные силы русских оказались на расстоянии 200–300 шагов от противника, из лощины выскочило несколько тысяч янычар, смявшие каре дивизии Племянникова и пытавшиеся расстроить каре гренадер Олица. Отразить их удалось только картечью с малого расстояния и штыковой контратакой. Разгром янычар довершила контратака русской тяжелой кавалерии. После этого все орудия сосредоточили огонь по турецкому лагерю, куда позднее на плечах янычар ворвались дивизии Олица и Племянникова.
В это же время корпуса Боура и Брюса атаковали неприятеля с флангов, а части корпуса Репнина зашли туркам в тыл. Армия великого визиря обратилась в беспорядочное бегство, и русская кавалерия преследовала ее на протяжении 5 км. Лагерь со 140 пушками и другими трофеями достался победителям.
На следующий день один из русских отрядов настиг турок при переправе через Дунай и захватил тысячу пленных и 30 орудий. Столь малое число пленных доказывает, что 150-тысячная турецкая армия у Кагула – это скорее всего миф последующих победных реляций. После Кагула корпус Репнина 6 августа взял Измаил. 30 августа пала турецкая крепость Килия, а 21 ноября – Браилов. 2-я русская армия 27 сентября овладела Бендерами и двинулась в Крым.
24-26 июня 1770 года произошло решающее сражение на море в районе Чесменской бухты на острове Хиос. Русская эскадра под командованием фаворита императрицы Екатерины генерал-аншефа графа А. Г. Орлова насчитывала 9 линейных кораблей, 1 бомбардирский корабль и 17 вспомогательных судов с 740 пушками. Турецкий флот Ибрагима Хасан-паши располагал 16 линейными кораблями, 6 фрегатами и 50 вспомогательными судами с 1400 пушками. Русская артиллерия превосходила турецкую скорострельностью и дальностью стрельбы, а русские экипажи имели гораздо лучшую подготовку, чем турецкие. К тому же боевой порядок турецкого флота был неудачным. Корабли были построены в две дугообразные линии. В первой находились 10 линейных кораблей, во второй – 6 линейных кораблей и 6 фрегатов, а все вспомогательные суда находились за второй линией. В результате флот оказался скучен на небольшом пространстве и мог использовать в бою менее половины своей артиллерии.
Командующий авангардом адмирал Г. А. Свиридов предложил атаковать неприятеля, построив русский флот в кильватерной колонне и уничтожить центр первой линии турецкого флота. Утром 24 июня русская эскадра вошла в Хиосский пролив. В половине двенадцатого головной корабль «Европа» оказался на дистанции 3,5 кабельтовых от неприятеля. Турки открыли огонь, не причинивший русской эскадре никакого вреда из-за плохой подготовки артиллеристов и низких баллистических качеств пушек. В полдень русский флот с дистанции 0,5 кабельтовых дал мощный залп. Несколько турецких кораблей получили тяжелые повреждения. Но и у русского флагмана «Три Иерарха» и линейных кораблей «Евстафий», где держал свой флаг Свиридов, и «Европа» были сбиты рангоуты. «Евстафий» взял на абордаж турецкий флагманский корабль «Реал-Мустафа». На «Реал-Мустафе» возник пожар, перекинувшийся на «Евстафия». Оба корабля взорвались, но Свиридов успел перейти на другое судно.
Гибель флагмана дезорганизовала турок. В час дня они стали отходить в Чесменскую бухту, рубя якорные канаты. Русский флот блокировал неприятеля. На военном совете 25 июня было решено уничтожить турецкие корабли комбинированным ударом артиллерии и брандеров. Для атаки выделялся специальный отряд под командованием младшего флагмана С. К. Грейга. Он состоял из 4 линейных кораблей, 2 фрегатов, бомбардирского корабля «Гром» и 4 брандеров. Ночью 26-го русские корабли подошли на дистанцию 2 кабельтовых к турецкому флоту и открыли огонь зажигательными снарядами. В начале второго ночи загорелся первый турецкий корабль, затем пожар перекинулся на другие суда. Тогда в атаку пошли четыре русских брандера. Дойти до вражеских кораблей удалось лишь одному под командованием лейтенанта Ильина. Турецкий 84-пушечный корабль взлетел на воздух, а его горящие обломки подожгли еще несколько судов. Вскоре весь османский флот горел, как один грандиозный факел. В 4 часа утра русские корабли прекратили огонь, так как почти весь неприятельский флот уже был уничтожен. В качестве трофеев был захвачен только один линейный корабль «Родос» и 5 галер. Все остальные турецкие корабли сгорели. Русский же флот потерял лишь один линейный корабль «Евстафий».
За победу в Чесменском бою Алексей Орлов получил титул князя Чесменского и орден Св. Георгия 1-й степени, Свиридов удостоился ордена Св. Андрея Первозванного, Грейг – чина контр-адмирала и ордена Св. Георгия 2-й степени.
В 1771 году русские войска должны были занять Крым. 2-я армия Панина захватила Прикубанье и Крым, а 1-я армия овладела дунайскими крепостями Джурджу, Мачин и Гирсово. В 1772 году туркам уже сложно было продолжать войну как из-за понесенных ранее поражений, так и вследствие начавшегося антитурецкого восстания в Сирии и Египте.