此后，奥尔洛夫主持召开了会议，参加者有奥尔洛夫、斯皮里多夫、格雷格、埃尔芬斯通、多尔戈鲁科夫(Ю.В.Долгоруков，时任少将，战后获得三级圣乔治勋章)、汉尼拔(И.А.Ганнибал，时任海军炮兵准将，是俄国著名诗人普希金的堂祖父，战后获得三级圣乔治勋章)等指挥官。奥尔洛夫和斯皮里多夫决定利用夜晚海风吹向切什梅海湾之际，用火攻烧毁对方船只。
斯皮里多夫命令格雷格海军准将的7艘军舰在6月25日(7月6日)23时30分开始行动。从下午17时开始，攻击舰“霹雷”号就开始轰击对方海岸炮阵地。从凌晨0时30分开始，“欧罗巴”号、“罗斯季斯拉夫”号和“含羞草”号等先后进入切什梅海湾，同时“幸福希望”号和“阿非利加”号巡航舰以及攻击舰“霹雷”号分别攻打北面与南面的炮兵阵地。埃尔芬斯通海军少将和舰队的其余船只部署在港口外，封锁港口，防止土耳其舰船逃跑。前卫各舰在敌火力下冲入切什梅湾入口，抛锚停泊，向敌舰发射燃烧弹，烧毁数艘敌舰。
6月26日(7月7日)凌晨1时15分，4艘纵火船按照战列舰“罗斯季斯拉夫”号的信号出击开展火攻。攻坚舰“霹雷”号的一颗炮弹使土耳其1艘船只的主帆着火，顷刻之间，全船焚烧。2时，2艘土军船只爆炸，别的一些船也开始着火燃烧。于是格雷格派出4艘纵火船拖入战斗，由海军中尉杜格达尔担任指挥，海军中尉麦肯齐为副指挥。杜格达尔指挥的第1艘纵火船被2艘土耳其大桡战船截住后备击沉。麦肯齐指挥的第2艘则在入口处搁浅，海军准尉加加林(Гагарин)指挥的第3艘则和1艘已经着火的土耳其船只碰在一起(不过埃尔芬斯通的记载却是该船船长加加林拒绝执行命令，船被击沉)。伊林(Ильин)中尉指挥的第4艘纵火船击中土军1艘84门炮战列舰，使其起火燃烧，火势蔓延到其他敌舰。此时土耳其舰队完全丧失斗志。火从1艘船燃烧到另一艘船，每艘船火药库一着火随即爆炸。这种燃烧和爆炸持续了好几个小时。
6月27日(7月8日)上午8时土军分舰队全军覆没，15艘战列舰、6艘巡航舰和40余艘小船被烧毁，阵亡1-1.1万人，1艘战列舰和5艘大桡战船被俘获;而俄军舰船无一损失，仅阵亡11人。土耳其舰队被全部消灭，这是他们自1571年勒潘托海战以来海军遭受的最大一次败仗!斯皮里多夫在海战报告中写道：“。。。光荣属于全俄罗斯海军!从25到26日敌人的舰队被打垮了、粉碎了、砸烂了、烧毁了，化为灰烬，抛上天空，沉入大海了，而我们则雄踞在整个群岛上”。此战之后，土军被迫放弃了在希腊群岛对俄军发动进攻的企图，转为集中力量保卫达达尼尔海峡和濒海要塞。俄国舰队完全控制了希腊群岛。为了纪念这次海战，专门颁发了奖章，并在皇村(今普希金市)竖起了一座纪念碑(切什梅海战纪念柱)。
俄军辉煌胜利的消息肯快传到了圣彼得堡。女皇在给奥尔洛夫的信中写道“全欧洲都为您的功勋而惊讶，并满怀希望地注视着您。客观公正的一方为我们的成功感到高兴，并由衷地希望我们壮大和巩固。相反，那些嫉妒我们帝国权力、荣耀和地位，以及对我们怀恨在心的人，会对我们的仇恨愈加疯狂，因此他们的阴险伎俩将会愈演愈烈”。
战后，女皇慷慨的给予赏赐，斯皮里多夫获得俄国最高勋章-圣安德烈-佩尔沃兹万内勋章，奥尔洛夫和格雷格获得二级圣乔治勋章，格雷格还晋升为海军少将;战列舰舰长科罗卡切夫、赫梅特夫斯基等获得三级圣乔治勋章，纵火船船长伊林、杜格达尔、麦肯齐都获得了四级圣乔治勋章。
在以后的几个月和数年内俄罗斯海军继续在地中海的作战行动，封锁达达尼尔海峡，破坏土方的海上运输，攻击岸上的堡垒等等。根据统计，仅仅1771年的一次战役俄军就夺取了大约180艘商船;而1772年10月的帕特雷战斗消灭对方巡洋舰和商船各8艘。1771-1773年，俄国海军共截获对方商船360余艘。实事求是地说，俄罗斯海军在当时已经切断了土耳其和其北非附属领土的联系，使得对方在巴尔干的部队补给出现严重问题。
俄罗斯海军的行动贯穿到战争结束，以奥萨(瑙萨)要塞为基地，将其做为机动的海军基地对达达尼尔海峡进行封锁，将土耳其大量兵力牵制在希腊群岛附近，同时又采取行动对付对方在贝鲁特和安纳托利亚沿岸地区的驻军。
此后，双方签订了小凯纳尔贾和约。根据和约规定，俄国获得了从布格河到第聂伯河之间的土地，最终占有了亚速海和从亚速海到黑海的出口，得到了黑海自由通航、航海和进入地中海的权利。1774年10月起，俄海军分舰队开始分批返回本土。
根据统计，俄海军总共从波罗的海抽调了20艘战列舰、5艘三桅巡洋舰、1艘炮舰和26艘辅助船，加上缴获的战果实际回到本土的有13艘战列舰、15艘三桅巡洋舰、2艘炮舰。俄海军为此次出征付出的代价是3艘战列舰、4艘辅助船，另有4艘战列舰、1艘炮舰和1艘辅助船由于技术故障而报废。
总体来说，俄海军此次行动比较成功，促进了此次战争的胜利和后来克里米亚划归俄罗斯。同时，确保了俄海军开始走向黑海。10年之后，1783年俄海军黑海舰队正式成立，经过10年的努力，最终取得了黑海的制海权并将土耳其舰队挤出黑海。按照俄罗斯历史书上的说法，“经过将近100年的时间，俄罗斯正规海军终于同陆军并驾齐驱，打破了封锁，进入了波罗的海和黑海，从而确保了俄罗斯同西欧各国经济上的联系。”
无疑，切什梅海战在其中起到关键作用，这次海战的胜利究竟是谁的功劳，这个问题在冷战时期引起很大的争论。英国作家认为应该归功于他们的同胞，这是因为英国军官在俄罗斯海军中占有主要地位。无可否认，英国人起了一定的作用，但事实仍然是：胜利是由俄国人智慧的俄国舰队取得的。格雷格表现得特别出色，其他如斯皮里多夫海军上将、赫梅特夫斯基、科罗卡切夫、卢潘丁等海军上校以及伊林海军上尉表现的都很好。俄国水兵的表现自始至终勇敢、机智和老练。
1995年2月10日，俄罗斯国家杜马通过了《关于俄罗斯军人荣誉日和纪念日(Дни воинской славы России)》的联邦法，确立了军人荣誉(战争胜利)纪念日，至今经过了20余次修订。2012年7月，总统普京签署法令确认了7月7日切什梅海战纪念日。