В одиннадцать часов утра начали сближение. Первым шла «Европа», за ней «Евстафий» под флагом Спиридова. Как только корабли сошлись на пушечный выстрел, с турецких судов открыли ураганный огонь. Однако велся он беспорядочно и никакого вреда русским кораблям не причинял. Только сблизившись на пистолетный выстрел, Спиридов поднял сигнал: «Начать бой с неприятелем!». На всех русских кораблях, кроме стеньговых, были подняты Иерусалимские флаги: этим Орлов хотел подчеркнуть, что русский флот защищает христианство от ислама.
При сближении «Европы» с неприятелем командир корабля капитан 1 ранга Федот Клокачев из-за настойчивых требований греческого лоцмана (во избежание посадки на мель) вынужден был сделать поворот и выйти из строя. Спиридов же подумал, что «Европа» вышла из строя, не выдержав турецкого огня. «Поздравляю вас матросом!» прокричал вдогонку Клокачеву Спиридов.
Впоследствии за Чесменское сражение Федот Алексеевич Клокачев получил орден Святого Георгия 4-й степени. В 1776 году он был произведен в контр-адмиралы и назначен командующим Азовской военной флотилией и портами, а в 1783 году в чине вице-адмирала стал первым командующим Черноморским флотом.
Сам же Спиридов с необычайным хладнокровием ходил по шканцам и отдавал распоряжения. На груди у него висел образ Святого Иоанна Воина, подаренный императрицей в Кронштадте. На юте «Евстафия» играла музыка.
После полудня «Евстафий» борт о борт сошелся с турецким кораблем «Реал-Мустафа». Бушприт «Евстафия» воткнулся в «Реал-Мустафу» между грот- и бизань-мачтами. Абордажные команды бросились на турецкий корабль. Завязалась ожесточенная схватка. Один из матросов вцепился в турецкий флаг, неприятельской саблей
отрубило смельчаку руку, он протянул левую руку, но и она была ранена, тогда он вцепился в конец флага зубами. Но тут же был проколот насквозь. Не выдержав атаки, Хассан-Бей бросился за борт. За ним последовала вся команда. Тем временем пламя с горящего «Реал-Мустафы» перебросилось на «Евстафий». Маловетрие и избитый такелаж не позволили отойти. К «Евстафию» устремились шлюпки. Но успели снять только Г.А. Спиридова, Ф.Е Орлова и еще нескольких человек. На одной из шлюпок командир корабля А.И. Круз отправил с донесением к графу Орлову сына Спиридова. В донесении он поспешил сообщить о захвате неприятельского корабля «Реал-Мустафа». Когда сын Спиридова прибыл на корабль к Орлову, «Евстафия» уже не было; остались лишь плавающие обломки. Опечаленный Орлов утешился тем, что его брат Федор Орлов и адмирал еще до взрыва оставили корабль и перешли на пакетбот «Почтальон».
Командир «Евстафия» предпринимал отчаянные попытки спасти корабль. Отбуксировать корабль с помощью шлюпок не было никакой возможности.
Слишком прочно его удерживали снасти турецкого флагмана. Командир приказал залить крюйт-камеру, но и это не помогло. Горящая грот-мачта турецкого корабля упала поперек «Евстафия», и пожар стал общим, охватив и русский, и турецкий корабли. Прошло еще несколько минут, раздался оглушительный взрыв. Вначале взлетел на воздух «Евстафий», а за ним и «Реал-Мустафа». На «Евстафии» погибло 620 человек, в том числе 22 офицера, спаслись лишь командир капитан 1 ранга А.И. Круз, 9 офицеров и 51 матрос.
Шедший за «Евстафием» «Три Святителя», получив повреждения в парусах и такелаже, врезался в строй турецких кораблей. С обоих бортов этого корабля сделали 684 выстрела из пушек. Корабли кордебаталии сумели сойтись на пистолетный выстрел, а вот арьергард отстал и по существу в сражении не участвовал.
Не выдержав огня, турки начали сниматься с якорей и уходить в близлежащую Чесменскую бухту. Русский флот преследовал турок до самого входа в бухту, затем стал на якорь. Так завершилось Хиосское сражение.
О нем граф А.Г. Орлов доносил следующее: «В 10 часов сделан был сигнал к атаке, в полдвенадцати передовые корабли начали сражение, в половине перваго оно сделалось общим. Как ни превосходны были силы неприятельския, как храбро оныя ни защищались, но не могли вытерпеть жаркаго нападения войск В.И.В.; по продолжавшемся чрез два часа жесточайшем пушечном и ружейном огне, наконец, принужден был неприятель, отрубя якори, бежать в великом смятении в порт под крепость, называемую Чесме. Все корабли с великою храбростию атаковали неприятеля, все с великим тщанием исполняли свою должность, но корабль адмиральский Св. Евстафия превзошел все прочие. Англичане, французы, венециане и мальтийцы, живые свидетели всем действиям, признались, что они никогда не представляли себе, чтоб можно было атаковать неприятеля с таким терпением и неустрашимостию. 84-пушечный неприятельский корабль был уже взят кораблем адмиральским, но по несчастию загорелся оный и сжег корабль и Св. Евстафия. Кроме адмирала, капитана и человек 40 или 50 разных чинов, никого с оного не спаслося, оба подорваны были в воздух. Как ни чувствительна была для нас потеря линейнаго корабля, но, увидя неприятельское поражение, робость их и безпорядок, в котором они находилися, утешилися, получа надежду истребить оный совершенно».
Обе стороны потеряли по одному кораблю. В Чесменской бухте оказались заблокированными пятнадцать линейных кораблей, шесть фрегатов, шесть шебек, восемь галер и 32 галиота. Вечером на бомбардирском корабле «Гром» контр-адмирал Грейг провел разведку боем, во время которой установил диспозицию турецкого флота. Орлов на «Трех Иерархах» созвал совет флагманов, вынесших решение атаковать неприятеля в ночь на 26 июня. Трудно установить, кто подал мысль использовать брандеры, которых, однако, у русских не было. В качестве брандеров предложили использовать четыре самых крупных греческих судна: они были получены от греческих священников с острова Хиос братьев Дмитрия, Афанасия и Степана Гунаропуло. Впоследствии, спасаясь от преследования, братья бежали в Россию, где были приняты императрицей и щедро вознаграждены за помощь при Чесме. Их потомки (среди них были и флотские офицеры) проживали в Петербурге, Николаеве и Херсоне.