Эта тупиковая ситуация длилась несколько недель. Ваттранг не собирался давать бой вблизи от берега, а русские галеры не желали подвергаться огню тяжелых пушек Ваттранга в открытом море и стояли на якоре в Тверминне, в шести милях к востоку от гангутского мыса. Наконец 4 августа суда Ваттранга направились было к русским, но, увидев множество парусов над русскими кораблями, повернули назад в открытое море. Русские галеры тут же пустились вслед, в надежде захватить хотя бы несколько шведских кораблей, если ветер стихнет. Но те, усердно маневрируя, сумели удалиться на безопасное расстояние.
Однако на следующее утро наконец свершилось то, на что надеялся Петр. Ветер стих, море успокоилось, а на его зеркально-гладкой поверхности лежала шведская флотилия под командованием адмирала Эреншельда. Русские поспешили воспользоваться моментом. На рассвете 20 галер покинули надежные прибрежные воды и на веслах обошли с моря застывшие без движения шведские корабли. Когда шведы поняли, что происходит, они спустили на воду шлюпки и попытались на веслах оттащить корабли подальше от берега. Но усилия немногочисленных матросов в маленьких шлюпках не могли сравниться с дружными взмахами гребцов на русских галерах. Ночью главные силы Апраксина, свыше 60 галер, проскользнули между шведами и берегом и вышли в море, разделив эскадры Ваттранга и Эреншельда. Ища укрытия, Эреншельд зашел в узкий фьорд и выстроил корабли в линию, нос к корме, перегородив фьорд от берега до берега. На следующий день, когда шведской эскадре помощи ждать было уже неоткуда, Апраксин изготовился к атаке. Но сначала он послал офицера на борт шведского флагмана предложить Эреншельду почетные условия сдачи. Предложение было отклонено, и битва началась.
Это было странное, необычайное сражение между боевыми кораблями двух разных видов, старинного и современного. У шведов было преимущество в тяжелой артиллерии и в опытных моряках, но русские имели подавляющее превосходство в численности – судов и людей. Их сравнительно небольшие, подвижные галеры с пехотой на борту все разом набрасывались на шведские корабли и, невзирая на потери, наносимые им артиллерией противника, окружали и брали на абордаж недвижимые шведские суда. Создавалось впечатление, что Апраксин командовал судами не как адмирал, а скорее как генерал, бросающий в битву все новые волны пехоты или кавалерии. В 2 часа пополудни 27 июля он приказал первым 35 галерам идти в атаку. Шведы выждали, пока те приблизятся, а затем разнесли их палубы огнем из пушек и заставили отойти. Отражена была и вторая атака, в которую бросили уже 80 галер. Тогда на приступ пошел уже весь флот Апраксина – в общей сложности 95 галер, которые сосредоточились возле левого крыла сомкнутой линии шведских судов, перегородивших фьорд. Русские абордажные команды лавиной обрушились на шведские корабли; один из них даже перевернулся под тяжестью людей, сражавшихся на его палубе. Как только линия шведских кораблей была прорвана, в прорыв устремились на веслах русские суда – теперь они нападали на остатки шведской линии сразу с двух сторон и один за другим захватывали шведские корабли, застывшие без движения. Битва бушевала три часа, обе стороны несли тяжелые потери. Наконец шведов одолели, убитых было 361, а более 900 человек попали в плен. Захватили самого Эреншельда вместе с его флагманом, фрегатом «Элефант», и девятью кораблями поменьше.
Существуют разногласия относительно местонахождения Петра во время этой битвы. Некоторые утверждают, что он командовал авангардом апраксинских галер, другие – что он наблюдал за боем с берега. Битва при Гангуте не была классически правильной военно-морской операцией, но она стала первой в истории России морской викторией. Петр всегда считал эту победу по значимости равной Полтаве, доказательством того, что он не зря потратил годы труда на строительство флота.
Окрыленный успехом, он захотел отпраздновать победу самым пышным образом. Отправив основной флот на запад занимать оставшиеся без защиты Аландские острова, Петр вернулся в Кронштадт с трофейными шведскими кораблями. Несколько дней он оставался там в ожидании родов Екатерины. Затем появилась на свет их дочь Маргарита, и 7 сентября царь-триумфатор, под артиллерийский салют в 150 залпов, приплыл в столицу, ведя за собой вверх по Неве захваченный фрегат и еще шесть шведских кораблей. Корабли стали на якорь возле Петропавловской крепости, их команды – и русские, и шведские – сошли на берег для торжественного шествия. На параде, который открыли гвардейцы-преображенцы, можно было увидеть 200 шведских офицеров и матросов, а также флаг плененного адмирала и самого адмирала Эреншельда в новом шитом серебром костюме, подаренном ему царем. Петр появился в зеленой с золотом форме русского контр-адмирала. По этому случаю воздвигли новую триумфальную арку, украшенную российским орлом, держащим в когтях слона (намек на захваченный шведский фрегат), и надписью «Российский орел мух не ловит». Пройдя под аркой, победители и побежденные следовали в крепость, где их приветствовал Ромодановский, восседавший на троне в роли потешного царя, и члены Сената. Ромодановский подозвал к себе контр-адмирала и принял из его рук свиток с описанием морского сражения. Текст зачитали вслух, после чего потешный царь и сенаторы задали Петру несколько вопросов. По недолгом размышлении они дружно провозгласили, что за верную службу контр-адмирал производится в вице-адмиралы, и толпа разразилась криками: «Виват вице-адмирал!» В своей благодарственной речи Петр обратил внимание соратников на перемены, произведенные всего за два десятилетия: «Братья! Есть ли среди вас человек, который бы двадцать лет назад предвидел, что будет строить со мной корабли здесь на Балтике и поселится в странах, завоеванных нашими трудами и храбростью?»