23 сентября само турецкое командование предложило переговоры. Граф Дибич, который разговаривал с турками, отказался предоставить тридцатичасовое перемирие. Был отдан приказ готовить приступ. 25 сентября Николай I для уменьшения числа жертв предложил атаковать приморский бастион группой добровольцев. Бастион охотники взяли без сопротивления и продолжили наступление дальше. В ходе решительной атаки группа охотников прорвалась в крепость, не встретив турок, которые выстроились в центре Варны и истребили большинство храбрецов, которых не поддержали главные силы. Император, наблюдавший бой, вновь предложил переговоры, и 25 сентября представитель капудан-паши вел переговоры с Грейгом на «Париже».
26 сентября вновь капудан-паше предложили сдаться. На другой день в окопах Грейг вел переговоры с Юсуф-пашой. 28 августа переговоры продолжались. Боевые действия возобновились. Наконец, турки согласились сдаться, и 29 сентября русские войска заняли крепость без сопротивления.
К вечеру Юсуф-паша согласился на капитуляцию, и 26 сентября четыре тысячи албанцев оставили крепость. Но капудан-паша, укрепившийся с 500 человек в цитадели, отказывался капитулировать. Боевые действия возобновились. После того как внешние укрепления были заняты, большинство гарнизона, насчитывавшего 19 тысяч человек, сдалось. Капудан-паша продолжал упорствовать, угрожая взорвать цитадель, и получил наконец разрешение оставить крепость со своим вооруженным отрядом. На следующий день он выступил. 30 сентября провели молебен, а 1 октября Николай I с Грейгом вступил в завоеванную Варну. Он обратился к Воронцову и Грейгу: «Благодарю вас обоих за покорение столь важной, слывшей неодолимой, крепости Варны; я был свидетелем важного усердия и службы на пользу и славу отечества». Он вручил Грейгу орден Святого Георгия II степени при следующем рескрипте:
«Отличное рвение ваше к пользам Империи и неусыпные труды по устройству Черноморского флота ныне ознаменованы блистательным успехом.
Сей флот, вами сооруженный и управляемый, покорил Анапу, он же особенно содействовал под личным предводительством вашим и к завоеванию Варны, доселе еще не знавшей силы российского оружия. Обращая Монаршее внимание Наше на сии заслуги, Мы всемилостивейше жалуем вас кавалером ордена Святого Великомученика Георгия Победоносца второй степени, коего знаки у сего препровождаем, повелевая вам возложить на себя и носить по установлению. Сие новое доказательство отличного Нашего к вам благоволения и признательности, да усугубит еще примерное ваше усердие и желание оправдать новым подвигом Монаршую к вам доверенность».
За время осады флот выпустил 25 тысяч снарядов. В значительной мере огнем корабельной и осадной артиллерии, которой управляли моряки, можно объяснить, что гарнизон с 27 тысяч уменьшился до 9 тысяч человек. Кроме 3 тысяч албанцев Юсуф-паши, в плен попали 6 тысяч человек. Были взяты 291 орудие и другие трофеи. Флот взял 21 трофей и 2 вооруженных баркаса, за успешные действия Император пожаловал Севастополю и Николаеву по трофейной пушке.
Уже 30 сентября Грейг приказал вернуть на корабли моряков и материалы, использованные при осаде. 6 октября эскадра оставила Варну и 12 октября пришла в Севастополь на зимовку. Однако покой продлился недолго. Император приказал подготовить флот к марту 1829 года, а зимой содержать эскадру в море для охраны судоходства, содействовать армии в охране областей на правом берегу Дуная и блокировать Босфор. Грейг срочно выехал в Николаев, назначив Мессера наблюдать за ремонтом флота, а контр-адмиралов Быченского, Стожевского и Сальти — готовить свои отряды.
Прибыв в Николаев, Грейг обнаружил, что оставленное им присутствие не выполнило свои задачи, и направил вице-адмирала Быченского командовать Севастопольским портом. Сам он активно занялся снабжением флота материалами. Он докладывал Николаю I, что к 1 марта флот подготовить невозможно, но так как это время самой бурной погоды, то вряд ли турки появятся на Черном море. За зиму транспорт «Успех» перестроили в бомбардирское судно, два трофейных судна — в брандеры, корабль «Скорый» переоборудовали в госпитальный. Для кораблей были заготовлены дополнительные пушки, чтобы из них сооружать батареи на берегу.