В том же году Грейг участвовал в осаде крепостей на островах Лемнос и Парос, а в течение следующего года, командуя кораблем «Саратов» и отрядом других судов, он ходил к острову Тассо и ликвидировал турецкие склады у города Орифанто. Вскоре, опять перенеся флаг на корабль «Три иерарха», Грейг участвовал в блокаде Дарданелл и осаде крепости на острове Митилена, где сжег два строившихся турецких корабля и галеру.
В 1774 г. Грейг был назначен начальником эскадры (4 корабля и 2 фрегата), отправлявшейся из Кронштадта на усиление русской эскадры в Архипелаг, куда он уже прибыл после подписания Кючук-Кайнарджийского мирного договора.
В 1775 г. Грейг доставил в Петербург на флагманском корабле «Исидор» захваченную Орловым самозванную дочь Елизаветы Петровны (княжну Тараканову). Он получил чин вице-адмирала и стал начальником Кронштадтского порта. На этом посту он проявил себя талантливым судостроителем и инженером. За особые заслуги в деле строительства российского флота и боевые отличия в 1782 г. он был произведен в адмиралы. В том же году он был избран членом Лондонского королевского общества и почетным академиком Петербургской академии наук.
В 1788 г. Грейг был назначен командовать эскадрой, снаряженной для отправления в Средиземное море, но начавшаяся Русско-шведская война 1788—1790 гг. заставила оставить флот на Балтике. Грейг был назначен командующим флотом для обороны Кронштадта и Петербурга.
6 июля 1788 г. Грейг атаковал шведский флот у острова Гогланда, взял в плен корабль «Принц Густав» с вице-адмиралом Вахтмейстером и заставил противника спешно укрыться в Свеаборге. Грейгу удалось сорвать план противника, заключающийся в уничтожении русского флота и прорыве к Санкт-Петербургу. Затем при блокаде шведского флота под Свеаборгом Грейг захватил и сжег корабль «Густав-Адольф».
В октябре 1788 г. Грейг тяжело заболел и на борту корабля «Ростислав» «для лучшего спокойствия больного» был отправлен в Ревель. 15 октября 1788 г. на этом же корабле Грейг скончался и был похоронен в Ревеле в гробнице из белого мрамора, сооруженной по приказу Екатерины II.
Историк флота Ф. Веселаго так оценил деятельность Самуила Карловича Грейга: «Ему, кроме славных побед над турками и шведами, русский флот обязан введением полезнейших усовершенствований в морском и боевом вооружении и управлении судов, в улучшении портовой и адмиралтейской деятельности и образовании многих превосходных офицеров».