До 15 00 шведы старались удалиться от русского флота, и только когда возможно стало определить соотношение сил, пошли на сближение строем фронта; в центре шел корабль генерал-адмирала, на правом фланге — вице-адмирала, на левом — контр-адмирала. Русская эскадра также шла в строю фронта. В 15.30 Грейг поднял сигнал атаковать неприятеля — каждому кораблю противолежащий. Это был пример той самой линейной тактики, которую в английском флоте признавали единственно возможной. Сам адмирал направлялся на корабль шведского генерал-адмирала. Он неоднократно поднимал сигналы своим капитанам прибавить парусов и сомкнуть линию. На правом фланге был Фондезин, которому Грейг дал сигнал «спуститься на неприятеля». Остальным кораблям он сигнализировал позднее; однако по ошибке первый корабль Козлянинова «Болеслав», последующий «Мечеслав» и последний в кордебаталии «Владислав» двинулись вместе с арьергардом и оказались вне линии, ближе к неприятелю, тогда как второй корабль авангарда «Иоанн Богослов» капитана Вальронта пошел по ветру, повернул оверштаг и оказался за линией.
В 16.00 находившийся под ветром шведский флот повернул и двигался навстречу русской эскадре; Грейг приказал идти на неприятеля, но корабли «Дерис», «Память Евстафия» и «Иоанн Богослов» при повороте отстали от боевой линии. Флагманский корабль Грейга «Ростислав» шел под всеми парусами впереди линии; он сигналами требовал от арьергарда вступить на свое место.
Когда в 17.00 русский авангард приблизился к шведскому на два кабельтова и неприятель открыл огонь, контр-адмирал Козлянинов начал пальбу, не дожидаясь сигнала адмирала. Скоро сражение вспыхнуло по всей линии. Так как кордебаталия и арьергард не подошли еще близко к неприятелю, адмирал продолжал спускаться с частью кораблей кордебаталии. Некоторые корабли отстали, а «Иоанн Богослов» оказался между линиями и пересек русский строй, направляясь к востоку.
Располагая тремя кораблями, флагман вступил в бой с авангардом шведов; четыре корабля кордебаталии после первых выстрелов также открыли огонь, причем «Ростислав» оказался на дистанции картечного выстрела от генерал-адмиральского корабля. К этому времени флоты были между островом Стеншхер и мелью Калбодегрунд, на полпути от Гогланда до Свеаборга.
Команды 7 кораблей, воодушевленные примером Грейга и Козлянинова, вели бой против 12 шведских и вскоре нанесли им значительные повреждения. «Ростислав» бился с генерал-адмиральским «Густавом III», следующий за ним «Изяслав» — с тринадцатым в линии шведским кораблем и фрегатом. Грейг старался сокрушить противника, используя картечь. Против шведского арьергарда впереди сражались «Болеслав», «Мечеслав», «Владислав»; последний потерял большую часть рангоута и стал мишенью пяти концевых вражеских кораблей, тогда как шесть отставших русских кораблей издали стреляли по шведскому арьергарду. Оба флота, окутанные облаками дыма, медленно двигались на юго-запад.
К 18.30 на передовых шведских кораблях было заметно замешательство. «Густав III» на буксире увели за боевую линию, вышли из линии два передовых корабля и третий, между «Изяславом» и «Ростиславом»; прочие также спустились под ветер, смыкая линию; отступление противника вызвало восторженные крики и наступательный дух даже на отставших российских кораблях.
В ходе боя «Ростислав», воспользовавшись лучше сохранившимися парусами, обошел два своих корабля, стал пятым в линии и снова вступил в сражение, тогда как оказавшийся в конце линии «Владислав» слишком приблизился к неприятелю.
К 19.00 установилось самое тихое маловетрие. Авангард, имея по одному противнику на корабль, энергично атаковал, за ним следовала кордебаталия, и даже арьергард старался не отставать. Но ветер стихал. Около 21.00 шведский флот медленно стал поворачивать; русские также повернули и снова сблизились, причем оказались к врагу левым, неповрежденным бортом. «Ростислав» вступил в жестокий бой со шведским вице-адмиральским кораблем. В наступивший штиль дым окутал поле боя. На закате стрелять можно было только с близкой дистанции. Шведы, пользуясь темнотой, удалялись, уклоняясь от боя. В центре «Родислав» Д. Тревенена, «Святой Петр» Денисона и «Болеслав» Денисова продолжали бой; «Ростислав» картечью и ядрами заставил к 22.00 спустить флаг и сдаться вице-адмиральский корабль «Принц Густав», затем перенес огонь на другие корабли, а посланный с флагмана офицер овладел трофеем. В 22.00 Грейг сделал сигнал прекратить стрельбу из-за ночной тьмы, густого дыма и удаленности отступающего противника.