Около полудня оба флота, сблизившись на дистанцию артиллерийского огня, некоторое время шли параллельными курсами, как бы примериваясь друг к другу. Напряжение возрастало. Наконец, турки не выдержали и пошли в атаку. Массу огня они обрушили на русский авангард, однако атака не удалась. Командующий авангардом бригадир Г.К. Голенкин искусно отразил нападение: подпустив противника на пистолетный выстрел, он открыл мощнейший огонь, чем вызвал у врага замешательство. Ушаков же, сомкнув как можно плотнее крупные линейные корабли и выделив фрегаты в отдельный отряд, пошел на помощь своему авангарду. Этим маневром он разделил неприятельскую эскадру. Около трех часов дня изменившийся ветер позволил Ушакову сблизиться на дистанцию пистолетного выстрела.
В сражение была введена не только крупная, но и вся мелкая артиллерия. Превосходство русской артиллерии было очевидным. Русские фрегаты на равных дрались с 80-пушечными линейными кораблями. Сосредоточенный и прицельный огонь наносил большие разрушения неприятельскому флоту, засыпая палубу обломками мачт и рей. Не давая ему опомниться, Ушаков вышел из линии баталии и почти вплотную сблизился с кораблем Гуссейна-паши, угрожая ему абордажем. Не выдержав натиска, турецкие корабли начали отходить, и вскоре отступление стало общим. И снова превосходство в скорости спасло турецкие корабли от полного разгрома. К шести часам вечера преследование уходивших турецких кораблей прекратилось, а вскоре противник потерялся из вида.
Первая попытка противника развернуть наступление на Крым со стороны Кавказа была успешно отражена. Центр тяжести вновь сместился к северо-западной части Черного моря.
За Керченское сражение Ушаков был награжден орденом Святого Владимира 2-й степени, а капитаны 1 ранга Кумани, Шатилов, Вильсон, Заостровский, Языков, Обольянинов, Ельчанинов, Поскочин и капитан 2 ранга Данилов получили ордена Святого Владимира 4-й степени за храбрость.
О Керченском сражении Ушаков писал Дерибасу следующее:
«Милостивый Государь, Иосиф Михайлович!
Имею честь уведомить Вас, Милостивый Государь, что 8 числа сего месяца имел я против устья Еникольскаго пролива и реки Кубани жестокое сражение с Турецким неприятельским флотом, состоявшим в 10 отборных из лучших кораблей, 8 фрегатов и 36 разных судов: бомбардирских, шебек, бригантин, шаитий, лансонов и кирлангичей. По продолжении пяти часов жестокаго боя неприятель весьма разбит; три корабля и многие другие защитою всего их флота едва спасены от наших рук и никак бы увести их не могли, да и прочие подверглись бы неминуемому разбитию от нашего флота, если бы не укрыла их из нашего виду темнота ночная, при которой все они спаслись бегством, но не знаю, куды путь свой взяли: в Синоп или к Румелийским берегам. Наш урон не велик: убитых разных чинов 29 и раненых 68 человек, а на неприятельском флоте урону должно быть чрезвычайному.
