Утром 10 июня из пролива вышли и стали на якорь восемь кораблей, пять фрегатов, два корвета, два брига; за три дня к ним присоединились еще два корабля, фрегат и шлюп. Капудан-паше было приказано во что бы то ни стало деблокировать пролив и взять Тенедос. Зная от патрульных судов о передвижениях турок, Сенявин с эскадрой направился к Имбросу, чтобы обогнуть остров, выиграть ветер и отрезать противника от Дарданелл и береговых батарей при устье пролива. Замысел его удался. Капудан-паша Сеид-Али 15 июня узнал, что у Тенедоса остались только легкие российские суда, и направился к острову. 16 июня турки высадили пятитысячный отряд; гарнизон острова, составлявший всего 600 человек, решительно оборонялся в ожидании подкреплений и дважды отбивал штурмы.
Из-за неблагоприятных ветров эскадра Сенявина лишь 17 июня обогнула Имброс и обнаружила, что турецкий флот расположился в проливе между Тенедосом и Анатолийским берегом, обеспечивая переброску войск на остров. Когда русские корабли начали приближаться, турки снялись с якоря и начали уходить. Сенявин подошел к Тенедосу. Пока легкие суда истребляли неприятельские десантные и транспортные суда, с кораблей Сенявина переправили на берег припасы, необходимые гарнизону крепости. Оставив для защиты острова «Венус», «Шпицберген» и 2 корсарских судна, вице-адмирал с 10 кораблями 18 июня отправился за неприятельским флотом. Однако в течение дня не удалось обнаружить неприятеля.
Русские моряки высказывали разные мнения, куда направились турки. Сенявин совершенно верно сделал вывод, что капудан-паша, обойдя Тенедос с юга и сделав большую дугу, чтобы избежать боя, постарается достигнуть Дарданелл, и он направился к Лемносу. Утром 19 июня у южной оконечности острова была обнаружена турецкая эскадра. Сеид-Али располагал 10 кораблями (один из которых стоял у острова Тасос), 6 фрегатами и несколькими легкими судами с примерно 1200 пушками против 754 орудий 10 русских кораблей. Основной проблемой для русских был недостаток снарядов, и Сенявин был вынужден приказать вести бой на короткой дистанции. Тем не менее флагман предполагал дать неприятелю решительное сражение, чтобы побудить правительство султана к миру.
Замысел Сенявина был своеобразный. Чтобы вывести из строя флагманские корабли неприятеля, он выделил против каждого по два линейных корабля. Остальные силы под командованием Грейга и самого вице-адмирала составили подвижные отряды, которым предстояло «или усилить атакующих, или напасть на неприятельские корабли, где более видна будет в сем надобность». Сенявин вел «Твердый» и «Скорый». Отряд Грейга составили корабли «Ретвизан», «Елена», шлюп «Шпицберген» и корсарское судно. Таким образом, виден заметный отход от линейной тактики. Особенно важно, что тактику свою флотоводец довел до подчиненных заранее. В одном из приказов Сенявин предписывал, нагнав бегущий неприятельский корабль, стремиться помешать его бегству и сражаться с ним до победы. В соответствии с духом приказов Сенявина и действовал Грейг в Афонском сражении.
Капудан-паша традиционно выстроил линию, сосредоточив в центре все флагманские корабли; легкие суда составили вторую линию. Но Сенявин не изменил приказа, и после 5.15 три пары линейных кораблей самостоятельно спускались на турецкий центр. Отряды Сенявина и Грейга шли несколько впереди. В 7.00 вице-адмирал вызвал Грейга и поручил ему и командиру корабля «Скорый» следить за судами, находящимися вне строя, чтобы избежать атаки брандеров. Но основной задачей 4 кораблей подвижных отрядов Сенявин поставил атаку 3 кораблей турецкого авангарда. В 7.30 он приказал трем парам кораблей немедленно атаковать неприятельский центр.
Турки издали открыли огонь по атакующим. Русские корабли, экономя боеприпасы, начали пальбу только с ближайшей дистанции. Пока в центре продолжалась яростная баталия, Сенявин с «Твердым» и «Скорым», за которыми следовал отряд Грейга, около 8.30 обогнал турецкий авангард, заставил выйти из линии головной фрегат и встал на пути головного линейного корабля, которому пришлось лечь в дрейф, задержав движение всей линии. Пока Сенявин на «Твердом» крушил головной корабль, 3 других русских корабля вели бой с остальными. Третий в линии турецкий капитан-командорский корабль выходил из боя, но после 10.00 вновь схватился с «Ретвизаном».
К этому времени турецкая линия была расстроена, поврежденные флагманские корабли отходили к мысу Афон. Русские корабли также получили значительные повреждения, но продолжали баталию. Когда турецкий арьергард попытался поддержать центр, Сенявин на «Твердом» задержал неприятеля.
В 11.45 Сенявин поднял сигнал «Всем кораблям придержаться к ветру», чтобы дать возможность отремонтировать повреждения рангоута и такелажа. Сначала ремонт, а с 14.00 маловетрие прервали бой. Когда после 17.30 посвежел ветер, турки уходили на север. Поврежденные «Сед-эль-Бахри» и «Бешарет» в сопровождении двух фрегатов отстали.