Где-то в половине второго ночи выстрелом из мортиры был подожжен первый турецкий корабль. Грейг писал: «В это время каркас, брошенный с бомбардирского корабля, упал в рубашку грот-марселя одного из турецких кораблей; так как грот-марсель был совершенно сух и сделан из бумажной парусины, то он мгновенно загорелся и распространил пожар по мачте и по такелажу; грот-стеньга скоро перегорела и упала на палубу, отчего весь корабль тотчас же был объят пламенем».
В этот момент с «Ростислава» было запущено две ракеты — сигнал брандерам начинать атаку. Первым двинулся брандер капитан-лейтенанта Дугдэля. Но он не успел пройти и половину расстояния, разделявшего русские корабли и противника, как был перехвачен двумя турецкими галерами. Дугдэль приказал экипажу прыгать в лодку, шедшую на буксире за брандером, а сам поджег его. Брандер был мгновенно объят пламенем. Но турецкие галеры быстро отошли от него.
Вторым предпринял атаку брандер под командованием лейтенанта Мекензи. Ему удалось достичь первой линии неприятельских судов, но его из-за неудачного маневра прижало к борту уже горевшего турецкого корабля, на который попали пылавшие обломки рангоута соседнего судна. И все же команда брандера успела покинуть его и благополучно возвратиться к месту якорной стоянки судов объединенной эскадры.
Где-то в 1 час 35 минут — 1 час 50 минут ночи в атаку вышел третий брандер под командованием лейтенанта Ильина. Неудача, постигшая Дугдэли и Макензи, так подействовала на Грейга, что он не удержался и крикнул Ильину, когда тот вел свой брандер мимо «Ростислава»: «Не под каким видом не зажигайте, пока не сцепитесь с неприятелем!» Лейтенант Ильин блистательно выполнил это задачу: он подошел к головному турецкому кораблю борт о борт, схватился с ним, зажег брандер и, отъехав на шлюпке, еще остановился посмотреть, каково будет действие.
Справедливости ради следует сказать, что к началу атаки третьего брандера уже горела половина турецкого флота. Огонь с такелажа, рангоута и парусов корабля, подожженного «Громом», попал на соседние два корабля, а те, в свою очередь, распространили пожар далее.
Четвертый брандер мичмана Гагарина сцепился с уже горевшим турецким кораблем. Вскоре корабль, зажженный Ильиным, взорвался, разметав пылающие обломки на палубы стоявших рядом кораблей.
К трем часам ночи пожар на турецких кораблях сделался всеобщим. Турки прекратили всякое сопротивление даже на тех кораблях, которые еще не загорелись. Грейг писал: «Легче вообразить, чем описать, ужас, остолбенение и замешательство, овладевшие неприятелем: целые команды в страхе и отчаянии кидались в воду, поверхность бухты была покрыта множеством спасавшихся людей, но немного из них спаслось». Огонь с наших судов в это время по приказанию Грейга был прекращен.
В 4 часа Грейг, видя, что два наветренных турецких корабля, фланкировавшие линию турецких кораблей с севера, целы, отрядил присланные с эскадры гребные суда для вывода их из бухты. Уже оба корабля были на буксирах шлюпок, но на один из них попали обломки взорвавшегося корабля, бывшего рядом. Этот корабль сам загорелся, был брошен и затем взорвался. Другой же корабль (60-пушечный «Родос») был выведен из бухты и доставлен победителю. Кроме того, гребные суда успели вывести пять больших турецких галер.
К утру у турок сгорело четырнадцать кораблей, шесть фрегатов и до пятидесяти малых судов.
Потери русских были весьма малы: на корабле «Европа» было 3 убитых и 6 раненых, в корпусе 14 пробоин, из них 7 подводных; на корабле «Не тронь меня» 3 раненых; на корабле «Ростислав» не было ни убитых, ни раненых, но перебито несколько рангоутов, парусов, снастей, да одно 18-дюймовое каменное ядро пробило обшивку; на других судах потерь не было.
Екатерина была в восторге от чесменской победы. Она писала Румянцеву: «Ничего знаменитее, кажется, в той стороне быть не может. Дивен Бог в чудесах своих!» Граф Алексей Орлов получил орден Св. Георгия 1-й степени и титул Чесменского; адмирал Спиридов — орден Св. апостола Андрея Первозванного; капитан-командор С.К. Грейг — орден Св. Георгия 2-й степени.
После Чесмы турки были в панике. Известный французский инженер барон Тотт, направленный королем в Турцию специально для укрепления Дарданелл, писал, что тамошние батареи были в ужасном состоянии, и русский флот легко мог пройти пролив и подойти к Стамбулу.
Позже русские, а затем советские историки подвергли сомнению данные Тотта. Как писал С.М. Соловьев, Тотту «было поручено укрепить Дарданеллы и, следовательно, было выгодно представить прежние оборонительные средства в самом жалком виде». Но, увы, Тотт оказался прав.