Закончив приготовления к сражению, Сенявин в начале июня 1807 года демонстративно ослабил свои силы у острова Тенедос. Турки решили воспользоваться этим и с помощью десанта овладеть базой русского флота. 10 июня эскадра вышла из Дарданелл и высадила десант на острове Тенедос. Адмирал Сенявин искусным маневром отрезал пути отхода турецкому флоту в Дарданеллы и 19 июня навязал ему сражение в районе между островом Лемнос и полуостровом Афон.
Линейный корабли "Императрица Мария"
Соотношение сил в бою было следующим. Русская эскадра включала в себя один 84-пушечный линейный корабль («Уриил»), восемь 74-пушечных линейных кораблей и один 64-пушечный. Всего Сенявин имел 10 линейных кораблей с 740 пушками.
Турецкая эскадра состояла из флагманского 120-пушечного «Мессудие» (капудан-паша Сеид-Али), 90-пушечного «Седель-Бахри» (второй флагман — капитан-бея Бекир-бея), пяти 84-пушечных линейных кораблей и трех 74-пушечных. Всего турецкая эскадра имела в своем составе 10 линейных кораблей, 5 фрегатов и 5 мелких судов. Общее число пушек на ней достигало 1214.
Обнаружив неприятельский флот, русская эскадра по сигналу Сенявина “Назначенным кораблям атаковать неприятельских флагманов вплотную” в 5 часов 15 минут двумя колоннами начала сближение с ним. В левой колонне шло шесть кораблей, предназначенных для атаки флагманских кораблей противника, а в правой — четыре корабля, имевших задачу обеспечить атаку на главном направлении. Около 7 часов, когда головные корабли русской эскадры проходили на дистанцию, с которой противник мог открыть огонь, по приказу Сенявина левая колонна кораблей разделилась на три группы, а правая — на две, как это и было предусмотрено планом атаки. Разделение эскадры на пять тактических групп лишило противника возможности вести по ним сосредоточенный огонь.
Турки открыли огонь с предельной дистанции и вели его рассредоточение. Не отвечая на него, русские корабли продолжали сближаться с турецким флотом на установленную для них дистанцию картечного залпа. В то время как шесть кораблей стремились занять позицию для атаки турецких флагманов, четыре других корабля, учитывая, что неприятельский арьергард начал отставать от своего центра и уже не мог оказывать ему помощь, стали охватывать голову противника.
Около 9 часов русские корабли, действовавшие на направлении главного удара, сблизившись с противником на дистанцию атаки и развернувшись бортом по два корабля против одного турецкого флагмана, произвели по ним мощный залп. Строй русских кораблей был настолько замкнут, что бушприты кораблей лежали на гакабортах впереди идущих. Это свидетельствовало о высокой выучке русских моряков, сумевших под сильным огнем противника осуществить столь сложный маневр. И только линейный корабль “Рафаил”, получивший в момент сближения повреждения в парусах, не смог занять своей позиции. Чтобы не мешать остальным кораблям выполнять сложный маневр, он прорезал строй противника, произведя в этот момент продольные залпы по нему с двух бортов, после чего, исправив повреждения, продолжал вести бой с фрегатами и кораблями авангарда турецкого флота.
В то время как пять русских кораблей с короткой дистанции атаковали флагманские корабли противника, адмирал Сенявин с двумя группами кораблей, охватив арьергард турецкой эскадры, произвел ряд мощных продольных залпов по головному кораблю турок и вынудил его лечь в дрейф. За ним начали ложиться в дрейф шедшие следом корабли противника, что нарушило боевой порядок турецкой эскадры. Правильно оценив обстановку, Сенявин оставил три корабля для продолжения боя с авангардом противника, а сам на линейном корабле “Твердый” поспешил на помощь поврежденному “Рафаилу” и решительно атаковал вышедший из строя флагманский корабль “Седдуль-Бахр”, произведя по нему несколько продольных залпов с носа.
Около 11 часов к месту боя подошел арьергард турецкого флота, чтобы оказать помощь своим флагманам. Сенявин, оставив поврежденный “Седд-уль-Бахр”, всей мощью своей артиллерии обрушился на головной корабль турецкого арьергарда. Нейтрализовав арьергард, он сосредоточил против шести линейных кораблей противника 10 своих линейных кораблей.
Не выдержав решительной атаки, турки около 12 часов поспешили выйти из сражения и, преследуемые русскими, начали отходить к Афонской горе. К 13 часам стих ветер, и обе эскадры приступили к исправлению повреждений. В 14 часов ветер снова задул с северо-западного направления. Оказавшись на ветре, турецкая эскадра, не возобновляя сражения, ушла в Дарданеллы. Преследуя противника, русские захватили флагманский корабль “Седдель-Бахри”. При отступлении турки вынуждены были затопить или сжечь часть кораблей, имевших наиболее серьезные повреждения. Всего турки потеряли в этом бою три линейных корабля, четыре фрегата и один корвет. Потери противника в личном составе составили 1 тысячу убитыми и ранеными. Русская эскадра потерь в кораблях не имела, убито и ранено было около 250 человек.