Из-за штиля и противных ветров обогнуть Имброс, чтобы отрезать турецкий флот от Дарданелл, Сенявину не удалось. 10 мая, чтобы оказать помощь изнемогавшему в борьбе с турками гарнизону Тенедоса, он привел эскадру к Тенедосу. Турецкий флот был неподалеку, но Сеид-Али не намеревался атаковать, хотя и был на ветре. Когда около 13.00 направление ветра стало благоприятно русским, Сенявин приказал приготовиться к бою. Он заранее выделил резерв, подчинив легкие суда командиру фрегата «Венус» Развозову и поручив ему по сигналу или собственной инициативе действовать там, где это окажется удобно. До начала сражения легкие корсарские суда следовало использовать для промеров глубин.
Турки намеревались уйти от атакующих русских кораблей в Дарданеллы, однако штиль задержал их. Лишь после 18.00 обе эскадры, подгоняемые засвежевшим ветром, направились к устью пролива. Турки шли в беспорядке, один корабль отстал, и Развозов с разрешения Сенявина решил атаковать его. К этому времени из расстроенной штилем русской эскадры к неприятельскому флоту ближе всего оказались, кроме «Венуса», корабли «Ретвизан» (под флагом A. C. Грейга) и «Рафаил», которым предстояло сражаться с концевыми неприятельскими кораблями, а также «Селафаил», коему вице-адмирал предписал сразиться с кораблем капудан-паши.
В 18.15 «Ретвизан» обрушил залп в корму турецкому вице-адмиральскому кораблю, поразил двумя залпами следующий за ним корабль и направился на помощь «Венусу». Он прошел под кормой отставшего турецкого корабля, дал продольный залп, затем два залпа в левый борт. Но добить противника Грейгу не удалось: взрыв пушки на «Ретвизане» ранил 12 человек и вызвал замешательство. «Ретвизан» направился к другим турецким кораблям, а в этом месте его сменил подошедший «Рафаил».
Тем временем «Селафаил», а затем и «Твердый» обстреливали корабль капудан-паши. Однако они так приблизились к неприятельским береговым батареям, что были вынуждены отвернуть, и турецкий флагман успел уйти в пролив, как и большинство других судов, некоторые из которых были так повреждены, что приткнулись к берегу у мели при азиатском береге.
Бой длился около двух часов, до темноты. Турецкие береговые батареи обстреливали перемешавшиеся корабли, поражая и своих. Эскадра так приблизилась к побережью, что попала даже под ружейный огонь. После 2.00 русские корабли, зашедшие в пролив, вынесло ветром, и они стали на якорь. С рассветом 3 турецких корабля были на мели у азиатского берега, а 3 — под парусами в проливе. Сенявин приказал Грейгу атаковать их с 4 кораблями и фрегатом. Контр-адмирал постарался сблизиться с неприятелем, но турки уходили в пролив; два их корабля встали на мель. В донесении Грейг писал, что неприятель был бы истреблен, «естьли бы местоположение и близость неприятельских укреплений к сему не воспрепятствовали». Сенявин, видя невозможность из-за малых глубин приблизиться к неприятельским судам, приказал Грейгу идти на соединение с эскадрой.
Дарданелльское сражение и русские, и их противники считали поражением турок. Часть кораблей была выведена из строя, большие потери понесли экипажи. С русской стороны было убито 26 и ранено 50 матросов. Наибольшие повреждения русские корабли получили от береговой артиллерии. Но все они были отремонтированы за один-два дня, тогда как туркам потребовался месяц.
Через пять дней после сражения Сенявин вновь отправил Грейга с отрядом, чтобы атаковать турецкий корабль, замеченный в расстоянии пушечного выстрела от береговых батарей. Вице-адмирал рекомендовал при возможности применять абордаж и экономить боеприпасы, ибо расход их в сражении оказался велик.
Из-за блокады в Константинополе недоставало провизии. 17 мая султана Селима свергли с престола. Но война не прекратилась. Порта отказалась принять мирные предложения России. 1 июня Сенявин отправил Грейга с пятью кораблями к острову Лемнос, чтобы разделением своих сил поощрить турок выйти из пролива. 2 июня русский отряд прибыл в порт Святого Антония. Контр-адмирал предложил местному аге сдать крепость. После отказа он 3 июня высадил на остров 812 матросов с 28 офицерами. Через шесть часов отряд подошел к крепости. Командовавший десантом капитан 1-го ранга Лукин решительными действиями загнал турок в крепость. 4 июня шла уже подготовка к штурму, когда поступил приказ Сенявина вернуться к Тенедосу: турки оказывали признаки выхода из Дарданелл. 5 июня десант вернулся на корабли, а 6 июня эскадра прибыла к Тенедосу. За время экспедиции моряки потеряли 20 человек. Турки лишились 150; у острова были взяты 7 судов с грузами. Скорее всего, нападение на Лемнос произвели, чтобы подразнить противника и заставить его выйти в море.