О начале Роченсальмского сражения вице-адмирал Нассау-Зиген докладывал в Адмиралтейств-коллегию следующее: «В 3/4 10 часа я сделал сигнал для исполнения назначеннаго ордера марша атаки и сражения. Генерал-майор Балл ей повел атаку в 10 часов, я принужден был приказать буксировать трехмачтовыя суда, ибо ветер был оным противный, сие заставило меня заметить с безпокойством, что атака началась так скоро, и понудило двинуть вперед ранее, нежели бы я сделал. Левый фланг состоял из восьми галер кордебаталии, семи арьергардии, трех катеров, имеющих впереди гаубицы трехпудового калибра, и 20 канонирских лодок. Я приказал высадить бригадиру Буксгевдену 400 человек на острове Мусала с тремя единорогами 24-фунтоваго калибра, которые он поставил так, чтобы устремить огонь на эскадру неприятельскую; десять мортир, кои приказал поставить
на плоты, были так же поставлены на мысу у острова Мусало. Катера, имеющие гаубицы, начали первыя производить огонь, за оными галеры; чем более оныя начали выходить из-за мыса острова, под прикрытием котораго находились, тем более чувствовал я, что сие скоропостижное действие будет великаго урона, но необходимо нужно отвратить неприятельский огонь, который весь устремлен был на эскадру Баллея. Трехмачтовыя суда подвигались весьма медленно, хотя и посланы были от меня для буксирования оных канонирския лодки; видя, что правый фланг не подвигался по причине той, что скоро разсмотрел сделанный мною сигнал идти в сражение, я послал туда генерал-майора Турчанинова понудить, чтобы скорее шли, с левой стороны огонь весьма усилился. Шесть канонирских лодок авангардии, которыя были по правой стороне, открыли свой огонь, двенадцать лодок кордебаталии пошли в первых между островами и противу многих проходов. Огонь на оном месте был силен, наконец, показались семь галер авангардии. Зажигательное ядро, брошенное неприятелем, взорвало галеру Цивильск, попав в крюйт-камеру, духом оной взорвало так же флагманскую галеру Хитрую находящуюся подле ея».
Когда положение эскадры Балле стало действительно угрожающим, Нассау-Зиген решил наконец вступить в сражение. Однако передовой отряд графа Юлия Литта, подойдя к Королевским воротам, натолкнулся на затопленные транспорты. Русские суда рассыпались между многочисленными островками в поисках проходов на Роченсальмский рейд, но безуспешно. Тогда Литта принял, казалось бы, безумное решение он приступил к расчистке прохода. Осыпаемые градом снарядов и картечи, солдаты и матросы с помощью топоров, ломов и гандшпугов расчищали путь галерам. Офицеры, матросы и гвардейские солдаты, стоя по пояс в воде более четырех часов, делали свое дело. Между тем отряд Балле вел сражение на последнем издыхании. Шведы наседали все более и более. Этот эпизод в шканечном журнале шебеки «Летучая» отражен так: «в начале 1-го часа перебило и переранило у нас людей более прежняго, мачты все перебило, снасти все вообще перервало, реи повредило, паруса по реям изорвало и правый борт во многих местах изранило, а особливо по ватерлинии, три пушки приведены были отбитием осей и колес в несостояние к действию. В начале 2-го часа неприятельская пальба продолжалась с таковым же жаром, повреждала нимало во всех местах нашу шебеку, осыпая нас всюду ядрами, еще три пушки сделались недействительными; но однакож продолжали мы пальбу из четырех оставшихся пушек с неменьшим прежняго жаром».
Не выдержав огня, Балле вынужден был дать сигнал к отходу. Шведы пошли на абордаж. Им удалось овладеть бомбардой «Перун» и пакетботом «Поспешный». К этому моменту на русских судах не осталось ни одного заряда, не было даже пуль, все весла были сломаны, а паруса и мачты сбиты. Казалось, шведы вот-вот одержат общую победу. Но около семи часов вечера на рейд с криками «Ура!» ворвался передовой отряд Литта. Предвкушавшие победу шведы пришли в смятение. Удар со стороны Королевских ворот для них оказался полнейшей неожиданностью. Шведы в беспорядке стали отступать. Теперь Нассау-Зиген вводил все новые и новые силы. Вначале были отбиты «Перун» и «Поспешный», затем пленены фрегат «Автрооле», восемь гребно-парусных судов, а также турума «Рогвальд» с подполковником Розенштейном. Ночью русские захватили еще и адмиральскую туруму «Бьерн-Иернсида», на которой последовательно погибли все четыре командира, сменявшие друг друга в ходе сражения. Свои прижатые к берегу транспортные суда шведы подожгли. По докладу майора Камнео, их было до тридцати, в том числе несколько канонерских лодок. Немногим шведским судам удалось скрыться в шхерах.
К двум часам ночи сражение закончилось. Трофеи были немалые: 214 пушек, 330 ружей, 12 пистолетов, 200 тесаков, 1050 шпажных клинков, 1000 ядер, 232 книпеля, 397 картечей, 332 брандскугеля, 366 пудов пороха. В плену оказались 37 офицеров и 1100 нижних чинов. На русской эскадре потери составили около тысячи человек. Нассау-Зиген потерял всего две галеры «Цывильск» и «Хитрую». Из офицеров 15 человек были убиты и 39 ранены, из нижних чинов убитых 368, раненых 589 человек, 22 человека попали в плен. Победа была полной. О напряжении сражения свидетельствует тот факт, что только русскими было выпущено почти 19 тысяч ядер, книпелей, картечи и брандскугелей.