Утром 24 июня русская эскадра вошла в Хиосский пролив и по сигналу главнокомандующего Алексея Орлова, находившегося на линейном корабле “Три Иерарха”, построилась в кильватерную колонну. Головным шел корабль “Европа”, за ним — “Евстафий”, на котором держал свой флаг командующий авангардом адмирал Спиридов. Около 11 часов русская эскадра в соответствие с ранее разработанным планом атаки повернула влево и почти под прямым углом начала спускаться на противника. Чтобы ускорить выход на дистанцию артиллерийского залпа и развертывания сил для атаки, русские корабли шли в сомкнутом строю. Для первого залпа орудия были заряжены двойными зарядами и двумя ядрами.
Около 11 часов 30 минут, когда головной корабль русской эскадры подошел к противнику на дистанцию 650 м, турки открыли огонь, который, однако, не причинил особого вреда русским. Продолжая движение на противника, русский авангард в
12 часов 00 минут сблизился с ним на дистанцию около 100 м и, развернувшись влево, произвел мощный залп из всех орудий по заранее распределенным целям. Вслед за авангардом в бой вступили и корабли центра. Бой принял чрезвычайно напряженный характер. Особенно ожесточенное сражение разгорелось между флагманскими кораблями противников — турецким «Реал-Мустафа» и российским “Евстафием”. Русский корабль причинил турецкому ряд серьезных повреждений, а затем сцепился на абордаж. Отчаянный рукопашный бой на палубе “Реал-Мустафы” закончился победой русских.
Характеризуя действия линейного корабля “Евстафий” в Чесменском сражении, Орлов в донесении Екатерине II писал: “Все корабли с великой храбростью атаковали неприятеля, все с великим тщанием исполняли свою должность, но корабль адмиральский “Евстафий” превзошел все прочие. Англичане, французы, венецианцы и мальтийцы, живые свидетели всем действиям, признались, что они тогда не представляли себе, чтоб можно было атаковать неприятеля с таким терпением и неустрашимостью”. И далее Орлов добавляет: “Свист ядер летающих, и разные опасности представляющиеся, и самая смерть, смертных ужасающая, не были довольно сильны произвести робости в сердцах сражавшихся с врагом россиян, испытанных сынов отечества…”