В это время Сенявин обошел турецкий флот и, отрезав ему путь к Дарданеллам, двинулся 17 июня в атаку. Увидев русские корабли, турецкая эскадра бросила свою гребную флотилию и пустилась в бегство. Множество лодок с пушками досталось в руки преследователей. Наконец, на рассвете 19 июня эскадра Сенявина настигла турок возле Афонской горы и в 7 часов 45 минут начала атаку.
Готовясь к сражению, адмирал приказал биться с врагом на самой короткой дистанции:
Не отвечая на вражеский огонь, русские корабли подошли к туркам на картечный выстрел, после чего завязалось ожесточенное сражение. Во время боя, проходившего с 8 до 11 часов утра на самой короткой дистанции, солдаты 2-го морского полка из ружей в упор расстреливали турецких матросов. Офицер корабля «Рафаил» П.И. Панафидин вспоминал:
К полудню турецкий флот потерпел сокрушительное поражение. В ходе дальнейшего двухчасового преследования флагманский корабль «Сетель-бахри» был взят в плен. 2 турецких фрегата затонули. Еще 2 линейных корабля, 2 фрегата и 1 шлюп, спасаясь от плена, выбросились на мель и были сожжены. Во время Афонского сражения майоры 2-го морского полка А.П. Козмин, С.Т. Федоров, Ф.В. Повалишин и П.П. Семенов «
Разгромив вражескую эскадру, Д.Н. Сенявин 25 июня вернулся к Тенедосу, где полковник Падейский все еще держался против многотысячного турецкого десанта. Теперь уже турки оказались в безвыходном положении. Брошенные своим флотом, без гребных судов и провианта, они вынуждены были 28 июня 1807 г. капитулировать. Поскольку русская эскадра не могла содержать около 5 тысяч пленных, Сенявин приказал разоружить их и перевезти обратно на Анатолийский берег. Полковник Ф.Ф. Падейский за мужественную оборону Тенедоса получил орден Св. Георгия 3-го класса. Следует заметить, что сам Д.Н. Сенявин имел только 4-ю степень этого почетного ордена.