Первоначально бой начался в Хиосском заливе, но турки после первых столкновений приняли решение отступить в Чесменскую бухту, где против русских кораблей могла быть использована береговая артиллерия.

Русские флотоводцы намеревались вступить в ближний бой с возможными абордажными схватками. Было понятно, что долгой пушечной дуэли на больших дистанциях им не выдержать – настолько велико было преимущество неприятеля.

Турки напротив, были расположены встретить балтийскую эскадру правильным орудийным боем и, в случае неудачи, отойти в Чесменскую бухту под прикрытие многочисленной береговой артиллерии.

Первые аккорды были сыграны в Хиосском проливе 5 июля 1770 г. Русские корабли атаковали южную оконечность вражеского строя. Начало столкновения было неудачным для русских моряков из-за того, что головные корабли не смогли синхронно выполнить маневр сближения, разрушив боевой порядок. Однако адмирал Спиридов смело бросил свой флагман «Св. Ефстафий» против «Реал Мустафы» — турецкого флагмана. Пока «Ефстафий» прорывался на «пистолетную дистанцию» на нем начался пожар от многочисленных попаданий. Но остановить движение корабля было невозможно. Два корабля сцепились бортами, и начался абордаж. Огонь перекинулся на «Реал Мустафу» и через некоторое время оба корабля взорвались. Деморализованные турки отошли в Чесменскую бухту. Подобную тактику применит адмирал Г. Нельсон в 1805 году входе Трафальгарской битвы, хотя её изобретателем нужно считать адмирала Спиридова.

5 июля балтийская эскадра обстреливала бухту. При этом, были подготовлены 4 брандера (специальные суда, которые использовались для диверсий) из малых судов. Вечером 6 июля бомбардирский корабль гром встал на рейде бухты и завязал перестрелку с турками. Его поддержали линейные корабли «Европа» и «Ростислав». Стрельба должна была иметь психологический характер и отвлечь турок внимание турок от брандеров. Первые три брандера не смогли выполнить поставленной задачи – один из них сел на мель и затонул из-за этого, со второго брандера дезертировала команда, третий брандер под командованием кн. Гагарина был подожжён слишком рано и не смог нанести урона турецкому флоту. Однако брандер под командованием лейтенанта Ильина успешно достиг расположения турецкого флота и поджёг линейный корабль. Взрыв порохового погреба на корабле произвёл гигантские разрушения: горящие обломки летели в другие корабли, разнося огонь. В завершении боя русские были вынуждены прекратить стрельбу и заниматься спасением выживших турок. К 8 утра 7 июля все было кончено.

Османская империя разом лишилась большей части флота. Погибло 15 линейных кораблей, 6 фрегатов, 1 линейный корабль и 5 галер были захвачены. Эта блестящая победа стала настоящей школой русского морского боя, мощь которого еще предстояло узнать. В память об этой битве для русских моряков была отчеканена памятная медаль, на которой изображалась одна из сцен гибели турецкого флота. Кроме места и даты битвы на медали было всего одно слово – «Былъ», имелось в виду «был турецкий флот, а нет теперь».