Не выдержав огня, Балле вынужден был дать сигнал к отходу. Шведы пошли на абордаж. Им удалось овладеть бомбардой «Перун» и пакетботом «Поспешный». К этому моменту на русских судах не осталось ни одного заряда, не было даже пуль, все весла были сломаны, а паруса и мачты сбиты. Казалось, шведы вот-вот одержат общую победу. Но около семи часов вечера на рейд с криками «Ура!» ворвался передовой отряд Литта. Предвкушавшие победу шведы пришли в смятение. Удар со стороны Королевских ворот для них оказался полнейшей неожиданностью. Шведы в беспорядке стали отступать. Теперь Нассау-Зиген вводил все новые и новые силы. Вначале были отбиты «Перун» и «Поспешный», затем пленены фрегат «Автрооле», восемь гребно-парусных судов, а также турума «Рогвальд» с подполковником Розенштейном. Ночью русские захватили еще и адмиральскую туруму «Бьерн-Иернсида», на которой последовательно погибли все четыре командира, сменявшие друг друга в ходе сражения. Свои прижатые к берегу транспортные суда шведы подожгли. По докладу майора Камнео, их было до тридцати, в том числе несколько канонерских лодок. Немногим шведским судам удалось скрыться в шхерах.
К двум часам ночи сражение закончилось. Трофеи были немалые: 214 пушек, 330 ружей, 12 пистолетов, 200 тесаков, 1050 шпажных клинков, 1000 ядер, 232 книпеля, 397 картечей, 332 брандскугеля, 366 пудов пороха. В плену оказались 37 офицеров и 1100 нижних чинов. На русской эскадре потери составили около тысячи человек. Нассау-Зиген потерял всего две галеры — «Цывильск» и «Хитрую». Из офицеров 15 человек были убиты и 39 ранены, из нижних чинов — убитых 368, раненых 589 человек, 22 человека попали в плен. Победа была полной. О напряжении сражения свидетельствует тот факт, что только русскими было выпущено почти 19 тысяч ядер, книпелей, картечи и брандскугелей.
О завершающей фазе сражения Нассау-Зиген докладывал так: «Суда их, выдержав сильный огонь, через 9 часов очень были повреждены, а как был штиль и весла их по большей части перебиты нашими ядрами, то и успели мы в первом часу утра завладеть четырьмя судами. Взяли адмиральский корабль, который, так как и прочие, сражался в самом бегстве. Когда наши кайки догнали и окружили его, то со всех пушек выпалил он по них; кайки пошли было на абордаж; та, которою командовал господин Бабарыкин, подошла первая; но по несчастию взорвало ее неизвестно каким образом, почти все люди были убиты или ранены. Но храбрый офицер, командовавший оною, имел счастие спасти свою жизнь, получив, однако, несколько опасных ран.
Народ был уже изнурен от трудов, почему и прекратил я погоню и сражение, которое продолжалось с 10 часов утра по 1-й час полуночи, шведы сражались с необычайною храбростию, они имели меньше судов, нежели мы, но лежали на шпринге между островами, которые служили им защитою и прикрывали весь почти корпус судов их.
Мы не могли бы победить их в сей день, ежели бы не удалось нам очистить проход, который был открыт канонирскими лодками, на кои посажена была гвардия. Я не могу довольно нахвалиться всеми ими вообще, но те, кои находились на кайках и канонирских лодках, превзошли все то, что мог бы я сказать в похвалу их. Господин Болотников, командовавший оными, увенчался славою. Я не могу довольно похвалить вообще храбрость и расторопность всех тех, которые имели счастие быть употреблены в сей славный день».
Эта победа оказала огромное влияние на ход всей кампании. Потеря гребного и, особенно транспортного, флота вынудила шведов отказаться от наступления на суше. Настали холода, и военные действия до следующей весны были прекращены.
За эту победу Нассау-Зиген получил высший российский орден Святого Апостола Андрея Первозванного, Балле — орден Святой Анны 1-й степени, Литта — орден Святого Георгия 3-й степени, золотое оружие и чин контр-адмирала. Тринадцать человек были награждены орденами Святого Георгия 4-й степени, многие получили следующие чины.
Все участники сражения под Роченсальмом получили серебряные медали, на одной стороне которой было изображение императрицы Екатерины II, а на другой — надпись: «За храбрость в водах Финских 13-го августа 1789 года».