По диспозиции требовалось встать на шпринг, убрав паруса. Но поврежденная «Европа» отвернула с курса, «Святой Евстафий» из-за маловетрия не смог повернуть оверштаг и свалился на турецкий флот. Корабль «Три Святителя», пройдя под огнем, также не смог встать на якорь, прорезал неприятельскую линию, пострадал от турецких выстрелов и вышел на наветренную сторону. Первым кораблем, занявшим свое место по диспозиции, стал «Трех Иерархов». Корабль Грейга расположился вблизи неприятеля и открыл огонь по 100-пушечному кораблю капудан-паши из пушек, ружей и даже пистолетов. Под сокрушительным огнем турки в панике обрубили якорный канат, но забыли шпринг, и Грейг четверть часа расстреливал продольным огнем развернувшийся кормой турецкий корабль.
«Святой Евстафий» сражался с 3 кораблями и шебекой. В жестоком бою капитан А. И. Круз зажег и взял на абордаж неприятельский флагман «Реал-Мустафа», но пламя перекинулось на «Святой Евстафий», и он взорвался от головни, попавшей в крюйт-камеру; за ним взлетел на воздух и «Реал-Мустафа». Горящие обломки осыпали соседние корабли. От Грейга потребовались немалые усилия, чтобы уберечь флагманский корабль от пламени. Посланные с «Трех Иерархов» шлюпки поднимали из воды моряков, уцелевших при гибели «Святого Евстафия».
Вскоре после двух взрывов, около 14.00, под русским огнем турецкие корабли устремились в Чесменскую бухту. Посланный на разведку бомбардирский корабль «Гром» обнаружил, что они беспорядочно сгрудились в глубине бухты, и лишь 4 составляют линию у ее входа. «Гром» до сумерек обстреливал противника, после чего вернулся к эскадре. В то же время Грейг с корабля «Трех Иерархов» обстреливал батарею на южном берегу Чесменской бухты, а пакетбот «Почталион» держался под парусами у днищ взорванных кораблей, не допуская турок поднимать с них орудия.
В семнадцатом часу на борту «Трех Иерархов» граф А. Г. Орлов собрал военный совет флагманов и командиров. Бегство вражеского флота еще не стало полной победой. Турки сохранили большую часть сил и могли получить подкрепления из Дарданелл, а до подхода подмоги располагали кораблями и батареями на берегу, чтобы упорно сопротивляться нападению. В этих условиях русское командование решило истребить турецкий флот. В приказе от 25 июня 1770 года командующий писал.
«Всем видимо расположение Турецкого флота, который, по вчерашнему сражению, пришел здесь с Анатолии к своему городу Ефесу или, по голландской карте, именуемому Сисьме, и стоит у онаго в бухте от нас на SO, в тесном и непорядочном стоянии; что некоторые носами к нам, к NW, а четыре корабля носами к NO, а к нам бортами, несколько их в тесноте стоят за своими к берегу, так, как в куче; всех же мы их ныне считаем: кораблей линейных четырнадцать, фрегатов два, шебек шесть; наше ж дело должно быть решительное, чтобы оной флот победить и разорить, не продолжая времени, без чего здесь, в Архипелаге, не можем мы к дальным победам иметь свободные руки; и для того, с общего совету, положено и определяется: к наступающей ныне ночи приуготовиться, а после полуночи вступить в точное исполнение; а именно: приуготовленные четыре брандерские судна, на которых командиры господа: Дугдаль, Ильин, Макензи, князь Гагарин, да корабли „Европа“, „Ростислав“, „Не тронь меня“, „Саратов“, фрегаты „Надежда“ и „Африка“, на которых кто командиры всем известно, и вся сия эскадра и бомбандирский корабль „Гром“ вручаются господину бригадиру и флота капитану Грейгу, у которого и быть всем означенным кораблям, фрегатам и бомбандирскому и брандерным судам, для нижеписанного исполнения, в команде; и на котором корабле разсудит поднять он, господин Грейг, брейд-вымпел, то остается в его соизволении, а исполнять надлежит нижеследующее».
Средством уничтожения противника избрали брандеры. Во второй половине XVIII века использование этого оружия считали уже варварством и анахронизмом: слишком оно зависело от ветра. Но против мусульман, да еще стеснившихся в глубине бухты, брандеры могли оказаться действенным оружием, особенно в сочетании с артиллерийским огнем. Приказ предписывал:
«1) Господину Грейгу расположиться и в настоящее время изготовиться, как ветер и его благосмотрение будет, под парусами, а для усыпления неприятеля, лучше бы на завозах, только б время не потерять, и все конечно ко всему точному исполнению около полуночи подойти к Турецкому флоту, и в таком разстоянии, чтоб не только нижнего дека, но и верхние пушки могли быть действенными; стать на якорь на шпрынге и разсуждается, как ныне Турецкий флот стоит, подойти бы.