Если в первом сражении действия русских носили чисто оборонительный характер, то утром 17 июня обе стороны вели активные наступательные действия. Нассау-Зиген и Поль Джонс решили упредить противника, выйдя ему навстречу. На этот раз турки выставили десять линейных кораблей, шесть фрегатов и 44 гребных судна. Сражение стало ожесточенным. Нассау-Зиген снова переиграл турецкого флагмана. Лишившись двух линейных кораблей, турки отошли. Русские захватили флаг и вымпел турецкого флагмана.
Все участники этого сражения получили медали на голубой ленте. На одной стороне медали было изображение Екатерины II, а на другой — надпись: «За храбрость в водах Очаковских». Контр-адмирал Нассау-Зиген получил орден Святого Георгия Победоносца 2-й степени, а капитан 2 ранга Федор Ахматов, капитан-лейтенанты Григорий Тимченко, Кузнецов, Тимофей Перский, Иван Поскочин, Николай Войнович, Федор Лелли, Андрей Башуцкий, Иван Быдрин и лейтенант Семен Мякинин — ордена Святого Георгия 4-й степени (за храбрость).
Фрегат «Николай» под командованием капитан-лейтенанта Петра Данилова принудил к сдаче 64-пушечный неприятельский корабль. Но Нассау-Зигену не понравилось, что турецкий корабль пленен не его галерой, а фрегатом Поля Джонса. Он приказал открыть огонь по уже спустившему флаг кораблю. Это привело турок в такое отчаяние, что они решили умереть, но не сдаться. Перестрелка снова приобрела упорный характер. Сидевший на мели другой турецкий корабль также открыл ураганный огонь. Оба фрегата пришлось сжечь.
Потеряв инициативу, турки в конце концов решили уйти из Днепровского лимана. В ночь на 18 июня они стали сниматься с якоря. Их маневр заметили с батарей Кинбурнской косы и, не теряя времени, открыли прицельный огонь. Уклоняясь от ядер, некоторые турецкие суда сели на мель. На рассвете турецкий флот атаковала Лиманская флотилия Нассау-Зигена. Атака была настолько неожиданной, что турки не успели построиться в боевые порядки. Четыре часа гремела канонада. Турки потеряли пять линейных кораблей, два фрегата, две шебеки, бомбардирский корабль, галеру и транспортное судно. Один 50-пушечный корабль попал в плен. В составе Черноморского флота он плавал под названием «Леонтий Мученик». Остальные суда спаслись бегством. Турки потеряли около шести тысяч человек, а почти две тысячи были пленены. На русской эскадре 67 человек получили ранения, 18 погибли. За это сражение Екатерина II произвела Нассау-Зигена в вице-адмиралы.
