С этой целью артиллерийская бригада П.И. Мелиссино, находясь в составе главных сил, умело и организованно совершила марш в район боевых действий, заняла огневые позиции и открыла меткий огонь по артиллерии противника, заставив ее замолчать. В журнале боевых действий бригады по этому поводу было записано, что приказание вышестоящего начальника командир бригады исполнил блестяще и «скоро привел в молчание неприятельскую, с сей стороны стоявшую батарею весьма цельными своими выстрелами». И затем до окончания сражения бригада Мелиссино неоднократно метким огнем подавляла батареи противника, разрушала его укрепления, уничтожала живую силу, способствуя успешным атакам пехоты.
К 12 часам дня сражение окончилось. Противник потерял убитыми 1000 человек и 2000 человек ранеными. Победителям достались немалые трофеи: весь вражеский лагерь, 30 орудий, 8 знамен и немало другого военного имущества. Потери русских составили менее 100 человек.
П.И. Мелиссино – непосредственный участник и Кагульской победы 21 июля 1770 года. одной из самых славных в истории русско-турецких войн. Турецкие войска под командованием великого визиря Халиль-паши по несколько преувеличенным данным имели в своем составе: 50 тыс. человек пехоты, 100 тыс. человек конницы, 80 тыс. крымских татар, 350 орудий. Турки расположились в укрепленном лагере Вулканешти (ныне территория Молдовы), готовясь нанести по русской армии (39 тыс. человек, 118 ор.) удар с фронта. Крымские татары должны были атаковать русскую армию с тыла. Фактически сложилась та же ситуация, что и в Прутском походе Петра I, только на сей раз соотношение сил было еще более критическим. Вокруг группировки российских войск на десятки километров лежала выжженная солнцем степь. С тыла угрожали крымские татары, а впереди у речки Кагул стояла огромная турецкая армия. Шансов на удачу было меньше чем на Пруте. И тем не менее, несмотря на численное превосходство противника, П.А. Румянцев решил упредить турок и дать им сражение. Замысел полководца заключался в том, чтобы, прикрывшись 11-тысячным отрядом от татар с тыла, концентрическими ударами главных сил (24 тыс. пехоты, 6 тыс. конницы, 118 орудий) разгромить армию Халиль-паши.
В ночь на 21 июля 1770 года русские пятью группами из лагеря Гречаны (Гризешты), построившись в дивизионные каре, перешли в наступление. Удар по левому флангу противника наносили каре Ф.В. Бауэра (Баура) и П.Г. Племянникова, с фронта – каре П.И. Олица. Всего против левого фланга противника было сосредоточено 2/3 сил. Тяжелая конница и артиллерийская бригада П.И. Мелиссино находились в резерве. Такой расчлененный боевой порядок русской армии обеспечивал выполнение замысла П.А. Румянцева. По существу, турецкий лагерь был охвачен полукольцом. Кроме огромной численности своего войска, турецкое командование не в состоянии было ничего противопоставить маневренной, атакующей тактике Румянцева в сочетании с умелыми действиями артиллерии.
В критическую минуту, когда янычары прорвали каре Племянникова и подошли к главным силам – каре Олица, Румянцев отдал приказание артиллерийской бригаде П.И. Мелиссино «произвести жесточайший огонь» по противнику. Бригада Мелиссино и полковая артиллерия 1-го гренадерского полка блестяще выполнили задачу по огневой продержке своих каре. Не выдержав очередного удара, турки в панике бежали с поля боя. Не решаясь наступать, отошли к Аккерману (Белгород-Днестровскому) крымские татары. Деморализованная турецкая армия была добита во время переправы ее через Дунай. Ее потери были огромны: убитыми, ранеными, утонувшими, пленными насчитывалось до 20 тыс. человек, в качестве трофеев была захвачена почти вся артиллерия (около 130 орудий). Потери русских войск составили около 1 тыс. человек. Путь к Дунаю был открыт. В реляции о победе П.А. Румянцев доносил российской Императрице: «…Действием превосходным нашей артиллерии брали мы верх над неприятельскою многочисленною, осыпавшей нас ядрами и картечами без большого, однако ж, вреда, и их батареи приводили в молчание… артиллерия генерал-майора Мелиссино столь скоропалительно из своих пушек стреляла, что первым разом со всякого места опрокидывала неприятеля…».
Высокую оценку русской артиллерии, руководимой П.И. Мелиссино, дал и противник. ««…Не было сил сбить русских», – говорили пленные турки, – которые поражают нас огнем, как молнией». Петра Ивановича называли «одним из главных виновников одержанной победы». «…За деятельное участие в сражении при Кагуле, а также за великие в его звании исправность и искусство» генерал-майор П.И. Мелиссино указом Екатерины II награждается недавно утвержденным ею орденом Святого Великомученика и Победоносца Георгия III степени. За победу при Кагуле он получил и медаль с надписью: «Кагул, июля, 21 дня, 1770».