Слишком прочно его удерживали снасти турецкого флагмана. Командир приказал залить крюйт-камеру, но и это не помогло. Горящая грот-мачта турецкого корабля упала поперек «Евстафия», и пожар стал общим, охватив и русский, и турецкий корабли. Прошло еще несколько минут, раздался оглушительный взрыв. Вначале взлетел на воздух «Евстафий», а за ним и «Реал-Мустафа». На «Евстафии» погибло 620 человек, в том числе 22 офицера, спаслись лишь командир капитан 1 ранга А.И. Круз, 9 офицеров и 51 матрос.
Шедший за «Евстафием» «Три Святителя», получив повреждения в парусах и такелаже, врезался в строй турецких кораблей. С обоих бортов этого корабля сделали 684 выстрела из пушек. Корабли кордебаталии сумели сойтись на пистолетный выстрел, а вот арьергард отстал и по существу в сражении не участвовал.
Не выдержав огня, турки начали сниматься с якорей и уходить в близлежащую Чесменскую бухту. Русский флот преследовал турок до самого входа в бухту, затем стал на якорь. Так завершилось Хиосское сражение.
О нем граф А.Г. Орлов доносил следующее: «В 10 часов сделан был сигнал к атаке, в полдвенадцати передовые корабли начали сражение, в половине перваго оно сделалось общим. Как ни превосходны были силы неприятельския, как храбро оныя ни защищались, но не могли вытерпеть жаркаго нападения войск В.И.В.; по продолжавшемся чрез два часа жесточайшем пушечном и ружейном огне, наконец, принужден был неприятель, отрубя якори, бежать в великом смятении в порт под крепость, называемую Чесме. Все корабли с великою храбростию атаковали неприятеля, все с великим тщанием исполняли свою должность, но корабль адмиральский „Св. Евстафия“ превзошел все прочие. Англичане, французы, венециане и мальтийцы, живые свидетели всем действиям, признались, что они никогда не представляли себе, чтоб можно было атаковать неприятеля с таким терпением и неустрашимостию. 84-пушечный неприятельский корабль был уже взят кораблем адмиральским, но по несчастию загорелся оный и сжег корабль и „Св. Евстафия“. Кроме адмирала, капитана и человек 40 или 50 разных чинов, никого с оного не спаслося, оба подорваны были в воздух. Как ни чувствительна была для нас потеря линейнаго корабля, но, увидя неприятельское поражение, робость их и безпорядок, в котором они находилися, утешилися, получа надежду истребить оный совершенно».
Обе стороны потеряли по одному кораблю. В Чесменской бухте оказались заблокированными пятнадцать линейных кораблей, шесть фрегатов, шесть шебек, восемь галер и 32 галиота. Вечером на бомбардирском корабле «Гром» контр-адмирал Грейг провел разведку боем, во время которой установил диспозицию турецкого флота. Орлов на «Трех Иерархах» созвал совет флагманов, вынесших решение — атаковать неприятеля в ночь на 26 июня. Трудно установить, кто подал мысль использовать брандеры, которых, однако, у русских не было. В качестве брандеров предложили использовать четыре самых крупных греческих судна: они были получены от греческих священников с острова Хиос — братьев Дмитрия, Афанасия и Степана Гунаропуло. Впоследствии, спасаясь от преследования, братья бежали в Россию, где были приняты императрицей и щедро вознаграждены за помощь при Чесме. Их потомки (среди них были и флотские офицеры) проживали в Петербурге, Николаеве и Херсоне.
В приказе Орлова говорилось: «Всем видимо расположение Турецкаго флота, который… стоит в бухте от нас на SO в тесном и безпорядочном состоянии; что некоторые носами к нам, к NW, а четыре корабля носами к NO, а к нам боками, несколько из них в тесноте стоит за своими к берегу так, как в куче… Наше же дело должно быть решительное, чтобы оный флот победить и разорить, не продолжая времени, без чего здесь в Архипелаге не можем мы к дальнейшим победам иметь свободный руки». В приказе также предписывалось подходить к неприятелю на такое расстояние, чтобы «не только нижняго дека, но и верхния пушки были бы действительны». Брандеры же в самом начале сражения должны были держаться подальше от неприятеля, «чтобы они до настоящаго дела были бы от неприятеля безвредны; дело оных состоит в том, чтобы они, пришед на неприятельский флот, зажгли его». В плане предусматривалась внезапная ночная атака специально сформированного отряда, которым командовал контр-адмирал Самуил Карлович Грейг.
В отряд Грейга включили корабли «Европа», «Ростислав», «Не тронь меня» и «Саратов», фрегаты «Надежда» и «Африка», бомбардирский корабль «Гром» и четыре брандера, командовать ими вызвались добровольцы капитан-лейтенант Дугдаль, лейтенанты Ильин и Макензи, мичман князь Гагарин. Корабли «Европа», «Ростислав» и «Саратов» должны были войти в Чесменскую бухту, «Не тронь меня» — занять место у входа в бухту, фрегат «Надежда» — подавить северную береговую батарею, а «Африка» — южную. Бомбардирский корабль, расположившись у входа в бухту, должен был метать на турецкие корабли бомбы и каркасы, брандеры же — находиться под парусами в ожидании команды Грейга на прорыв в Чесменскую бухту.