Днем 31 июля Ушаков обнаружил противника в районе мыса Калиакрия. Турецкий флот в полном составе стоял на якоре. Турки праздновали Рамазан-байрам и беспечно веселились на берегу. При хорошем попутном ветре эскадра Ушакова буквально неслась на противника. Причем и на этот раз Федор Федорович принял неординарное решение — атаковать неприятеля со стороны берега.
Появление русской эскадры застало турок врасплох. Обрубая якорные канаты, они, как и в предыдущем сражении, в беспорядке начали отходить мористее. С большим трудом турецкому адмиралу удалось выстроить корабли в линию баталии. Впереди оказался вице-адмиральский корабль алжирца Саита-Али, имевшего огромный боевой опыт. Решив драться до последнего, алжирец приказал гвоздями прибить флаг к флагштоку, чтобы лишить команду возможности спустить его в критический момент сражения. Сайт-Али с двумя кораблями предпринял попытку взять русский авангард в два огня, как это уже не раз делал Ушаков. Но Ушаков этот маневр не прозевал. На корабле «Рождество Христово» он стремительно сошелся с турецким флагманом, как бы принимая его вызов.
Накануне выхода в море Сайт-Али поклялся турецкому султану взять в плен Ушак-пашу и привезти его в Константинополь, о чем стало известно и самому Ушакову. Его корабль буквально засыпал картечью неприятеля. Не давая противнику опомниться, умелым маневром Ушаков зашел с кормы и дал по турецкому кораблю продольный залп: это был излюбленный прием Ушакова. Была сбита бизань-мачта со всеми парусами. Проходя под кормой, Ушаков прокричал: «Сайт, бездельник! Я отучу тебя давать такие обещания!» С русских судов стреляли без промаха по густому лесу мачт. За час сопротивление неприятеля было сломлено. Турки снова обратились в бегство. Этим сражением была поставлена точка в длившейся пятый год войне. На Черном море теперь безраздельно господствовал русский флот.
В донесении Потемкину Ушаков писал: «Наш же флот всею линиею передовыми и задними кораблями совсем его окружил и производил с такой отличной живостию жестокий огонь, что, повредя многих в мачтах, стеньгах, реях и парусах, не считая великого множества пробоин в корпусах, принудил укрываться многие корабли один за другова, и флот неприятельский при начале ночной темноты был совершенно уже разбит до крайности, бежал, от стесняющих его безпрестанно, стесненной кучею под ветер, оборотясь к нам кормами, а наш флот, сомкнув дистанцию, гнал беспрерывным огнем, бил его носовыми пушками, а которым способно, и всеми лагами. Особо ж разбиты и повреждены более всех пашинские корабли».
Потемкин был обрадован этой победой. «С удовольствием получил я рапорт Вашего Превосходительства, — писал он Ушакову, — об одержанной Вами над флотом неприятельском победе, которая, возвышая честь флага Российскаго, служит и к особливой славе Вашей. Я, свидетельствуя чрез сие мою благодарность Вашему Превосходительству, поручаю Вам объявить оную и всем соучаствовавшим в знаменитом сем произшествии. Подвиги их не останутся без достойнаго возмездия. Желаю я только, чтобы Ваше Превосходительство доставили ко мне засвидетельствование эскадренных командиров с вашим справедливым замечанием, по которому не только отличившиеся храбростию и искусством могли бы праведно быть награждены, но и те, которые в чем либо неисполнили долга своего, восприняли бы достойное наказание».
Ушаков за победу был награжден орденом Святого Александра Невского, а Голенкин и Пустошкин получили по ордену Святого Георгия 3-й степени.
29 декабря 1791 года в Яссах между Россией и Турцией был подписан мир. Турция уступала России земли между Южным Бугом и Днестром, согласилась на присоединение к России Крыма и подтвердила условия ранее заключенного Кучук-Кайнарджийского мирного договора.
В сражениях с турецким флотом Ушаков взял в плен и потопил три линейных корабля и тридцать мелких военных и купеческих судов. Из десятой доли призовых денег, причитавшихся флагманам, Ушаков получил 3332 рубля. Ушаков побеждал самых лучших турецких флагманов — Эски-Гассана и Кучук-Гуссейна. Известно, что русские корабли уступали турецким, которые строили в основном французы. Большое преимущество в скорости давали медная обшивка подводной части и более легкие паруса. Однако Ушаков побеждал главным образом умением. Постоянная учеба как в пушечной, так и ружейной стрельбе позволяла довести до совершенства применение оружия. Силу русского огня не выдерживал ни один турецкий корабль, несмотря на то что их моряки дрались с фанатизмом. Нередко им рубили головы за то, что они не погибли в сражении.