Турецкая эскадра более чем в два раза превосходила Севастопольскую, поэтому граф Войнович не имел особого желания вступать в сражение. Находившийся же на ветре Гассан-паша был уверен, что разгром русской эскадры — дело времени. Придерживаясь классической схемы линейной тактики, он стал сближаться на дистанцию артиллерийского залпа. Но шедший впереди эскадры Ушаков сорвал замысел турецкого флагмана. Он приказал концевым фрегатам авангарда прибавить парусов, чтобы взять противника в два огня. Этим маневром он поставил Гассан-пашу в исключительно трудное положение. Тот не знал, как ответить на неожиданный маневр Ушакова. Таким образом, несмотря на подветренное, казалось бы, невыгодное положение, инициативу сразу захватил Ушаков. Гассан-паша тоже приказал прибавить парусов, но этот маневр явился помехой: его эскадра вытянулась так, что корабли не могли оказать при необходимости поддержку друг другу. Русский же авангард шел компактным строем, быстро сближаясь с противником.
В самом начале боя корабль Ушакова «Святой Павел» (вместе с фрегатами «Берислав» и «Стрела») «отрезал» два турецких судна и буквально засыпал их ядрами. В два часа дня бой разгорелся по всей линии. Русские комендоры били прицельно, разряжая борта с необычайным искусством. Не выдержав интенсивного и точного огня, турецкие передние корабли без приказа Гассан-паши повернули на другой галс и один за другим стали выходить из боя. Им наперерез бросился флагманский корабль Гассан-паши и, осыпав их ядрами, попытался вернуть на свои места, но напрасно. Тем временем корабль Ушакова сблизился с флагманским кораблем противника и всю мощь огня обрушил на него.
К пяти часам стало ясно, что чаша весов склонилась на сторону русских, с кораблей которых стреляли точнее. Удачным залпом Ушакову удалось повредить бизань-мачту и руль корабля Гассан-паши. Это, пожалуй, и решило исход боя: корабль турецкого флагмана покинул строй, за ним последовали другие, а через несколько минут отступление стало общим. Только большая скорость кораблей спасла турецкую эскадру от полного разгрома. С тяжелыми повреждениями турецкий флот отошел к Румелийским берегам. Эскадра Войновича направилась в Севастополь.
Примечательно, что в бою у острова Фидониси только два русских линейных корабля и два 50-пушечных фрегата имели артиллерию 36- и 24-фунтового калибра, соответствовавшую вооружению семнадцати линейных кораблей противника.
В реляции об этом бое Войнович приписал победу исключительно себе и получил за него орден Святого Георгия 3-й степени. Об Ушакове он даже не упомянул. Обиженный прежде всего за своих подчиненных, Ушаков изложил суть боя, минуя флагмана, прямо Потемкину. О действиях экипажей Ушаков писал следующее: «Я сам удивляюсь проворству и храбрости моих людей. Они стреляли в неприятельские корабли не часто и с такой сноровкой, что, казалось, каждый учится стрелять по цели, сноравливая, чтобы не потерять свой выстрел. Прошу наградить команду, ибо всякая их ко мне доверенность совершает мои успехи; равно и в прошедшую кампанию, одна только их ко мне доверенность спасла мой корабль от потопа, когда штормом носило его по морю». Ушаков просил наградить орденом Святого Георгия 4-й степени командиров «Берислава» и «Стрелы» капитан-лейтенантов Федора Шишмарева и Ивана Лаврова, а также унтер-лейтената Ивана Копытова со «Святого Павла».
