В период сражения была тихая лунная ночь. В полночь на «Ростиславе» зажгли три фонаря, сигнализирующие об атаке. Вначале несколько задержалась со снятием с якоря «Надежда», но затем сражение пошло строго по плану. Во втором часу ночи «каркас, брошенный с бомбардирского корабля, упал в рубашку грот-марселя одного из турецких кораблей; так как грот-марсель был совершенно сух и сделан из бумажной материи, то он мгновенно загорелся и распространил пожар по мачте и такелажу; грот-стеньга скоро перегорела и упала на палубу, отчего весь корабль тот час же был объят пламенем». В этот момент Грейг подал сигнал на атаку брандерами. Пока же все четыре брандера, находясь вне зоны огня, лежали в дрейфе. Увидев сигнал, брандеры прибавили парусов и пошли на сближение с неприятелем. Каждому брандеру были назначены корабли для атаки. Грейг предупреждал командиров, чтобы они по ошибке не сцеплялись с мелкими судами, поскольку пользы от такой атаки будет мало. На каждом брандере имелся десятивесельный катер с гребцами, на котором должны были возвратиться командир и команда.
Первый брандер капитан-лейтенанта Дугдаля был перехвачен турецкими галерами и взят на абордаж. Брандер все же успели поджечь, а команда пересела в катер и оторвалась от преследования. Второй брандер лейтенанта Макензи выскочил на мель, где его подожгла команда. Сам же Макензи на катере прошел вдоль берега и сумел захватить несколько мелких судов. Удачнее других действовал лейтенант Дмитрий Ильин. Когда его брандер сцепился с наветренным кораблем противника, он буквально на глазах у неприятеля поджег брандер, затем демонстративно воткнул в него горящий брандскугель и, не торопясь, спустился в катер. Отойдя на несколько метров от горящего корабля, Ильин скомандовал: «Суши весла!» — и некоторое время наблюдал за результатами своей атаки. Турецкий корабль со страшным грохотом взлетел на воздух. Сотни горящих обломков и искр осыпали близлежащие корабли. Пожар стал общим. Брандер мичмана Гагарина, пущенный по ветру, приткнулся к уже горевшему кораблю.
Тем временем корабли и фрегаты отряда Грейга усилили огонь, а другие корабли стреляли холостыми зарядами исключительно для морального воздействия на неприятеля. К трем часам ночи противник находился в жалком состоянии: корабли горели, как факелы, и взрывались один за другим. Вся бухта была окутана дымом.
«Легче вообразить, — писал в своем журнале Грейг, — чем описать ужас, остолбенение и замешательство, овладевшие неприятелем: целыя команды в страхе и отчаянии кидались в воду, поверхность бухты была покрыта множеством спасавшихся людей, но немного из них спаслось». В четвертом часу утра по приказанию Грейга огонь прекратили. Невредимыми оставались только два корабля. Но при буксировке на один из них попали горящие обломки, и он сгорел дотла, а другой — «Родос» — стал трофеем. Кроме того, были взяты пять галер и 22 медные пушки с береговых батарей. Этим и закончилось Чесменское сражение.
