Русская эскадра состояла из 10 линейных кораблей: «Уриил» (капитан 1 го ранга М.Т. Быченский), «Твердый» (флаг Д.Н. Сенявина, капитан 1 го ранга Д.И. Малеев), «Сильный» (капитан-командор И.А. Игнатьев), «Ярослав» (капитан 2 го ранга Ф.К. Митьков), «Селафаил» (капитан 2 го ранга П.М. Рожнов), «Елена» (капитан 2 го ранга И.Т. Быченский), «Скорый» (капитан 1 го ранга Р.П. Шельтинг), «Мощный» (капитан 1 го ранга В. Кровве), «Рафаил» (капитан 1 го ранга Д.А. Лукин), «Ретвизан» (флаг контр-адмирала А.С. Грейга, капитан 2 го ранга М.М. Ртищев) и фрегат «Венус» (капитан-лейтенант Е.Ф. Развозов). За несколько часов до сражения Д.Н. Сенявин подчинил находившиеся при эскадре легкие суда командиру фрегата «Венус». Он предоставил Е.Ф. Развозову право действовать самостоятельно, не дожидаясь сигналов адмирала. Во время сближения с противником корсарские суда производили промеры глубин, так как район боя изобиловал отмелями.
Однако ветер опять стих и боевой порядок русской эскадры расстроился. Около 18 часов задул западный ветер, и русские корабли, нагоняя турецкую эскадру, вблизи Дарданелл стали поодиночке вступать в бой с ближайшими кораблями противника.
Первым открыл огонь фрегат «Венус», атаковав отставший турецкий корабль. Ближе остальных кораблей к туркам находились «Ретвизан», «Рафаил» и «Селафаил». Умело маневрируя, они шли за уходящим противником к проливу и атаковали турецкие корабли на самом близком расстоянии. В 18.15 «Ретвизан» и «Рафаил» начали бой. «Ретвизан» атаковал вице-адмиральский корабль, дав залп ему в корму. Затем он поразил двумя залпами следующий в строю турецкий корабль. «Рафаил» вступил в бой с турецким кораблем, который ранее атаковал «Венус». «Селафаил», догнав в 18.30 100 пушечный корабль капудан-паши, дал ему два залпа в корму. Саид-Али вынужден был изменить курс. В этот момент к турецкому флагману подошел «Твердый» и дал залп всем бортом. При этом он так приблизился к турецкому кораблю, что реи их почти соприкасались. Д.Н. Сенявин стремился в первую очередь атаковать турецкого флагмана. Но поскольку «Твердый» слишком близко подошел к берегу, он вынужден был повернуть на обратный галс. Турецкого флагмана успел поразить продольным залпом «Селафаил», после чего сильно избитый корабль капудан-паши укрылся в Дарданеллах.
Затем «Селафаил» подошел под корму другого турецкого корабля, идущего к Дарданеллам, и дал по нему несколько залпов, прежде чем тот вошел в пролив. «Твердый» нанес серьезные повреждения одному из кораблей под вице-адмиральским флагом. «Уриил» так близко сошелся с другим кораблем под вице-адмиральским флагом, что своим такелажем сломал у турка утлегарь.
Преследуя турок, русские корабли вели бой, по способности меняя курс, убавляя и прибавляя парусов, часто заходя под корму кораблей противника. Они смело атаковали противника, несмотря на то, что оказывались среди турецких кораблей. «Твердый», «Скорый», «Мощный», «Св. Елена» сражались на оба борта.
В наступившей темноте береговые укрепления турок поражали обоих сражающихся. Вследствие наступившего штиля течением русские корабли отнесло так близко к берегу, что турки вели по ним ружейный огонь. Темнота позволила турецким судам скрыться в проливе, во втором часу ночи течение вынесло русские корабли из пролива, и они стали на якорь.
Три турецких корабля не успели войти в пролив и стали на мель у азиатского берега, гребные суда пытались ввести их на буксире в пролив. Утром 11 мая они были обнаружены, и, как только позволил ветер, Д.Н. Сенявин направил А.С. Грейга с кораблями «Ретвизан», «Селафаил», «Скорый», «Ярослав» и фрегатом «Венус», чтобы отрезать их от главных сил. Отряд А.С. Грейга догнал турецкие корабли у самого входа в пролив. Гребные суда немедленно бросились в бегство. Один турецкий корабль, атакованный «Селафаилом» и «Ретвизаном», выбросился на мель. Вице-адмиральский корабль сильно пострадал и также сел на мель, только один корабль ушел в Дарданеллы.
Во время боя русские вывели из строя три турецких линейных корабля. Турки потеряли до 2 тысяч человек убитыми и ранеными, русские – 83 человека. В числе убитых при Дарданеллах был командир «Сильного» капитан-командор И.А. Игнатьев. Наибольшие повреждения русским кораблям нанесла крепостная артиллерия, стрелявшая мраморными ядрами. Такими ядрами на «Рафаиле» и «Ярославе» корпуса были пробиты насквозь. Ядра же турецких кораблей, иногда попадая в борт, не пробивали его и застревали в обшивке. Наибольшее количество повреждений получил «Твердый» – 10 пробоин в корпусе и 47 – в парусах. Все повреждения на русских кораблях были исправлены в течение 1–2 дней. Турки восстанавливали свою боеспособность почти месяц.