Бой начался в 11 часов 30 минут 5 июля в Хиосском проливе и вошел в историю как Хиосское сражение.
К 14 часам турки уже отступили в Чесменскую бухту — под прикрытие береговых батарей. В течение следующего дня российские корабли обстреливали противника с большого расстояния, а к вечеру несколько кораблей встали на якоря перед входом в бухту и вступили в бой с турецкими судами. В половине второго ночи один из линейных кораблей противника взорвался.
Бой продолжался до восьми утра и окончился большими потерями с обеих сторон. Однако победа осталась за русским флотом. Благодаря успешному сражению, россиянам удалось нарушить связи между турецкими военными базами в Эгейском море и установить блокаду Дарданелл. Это сыграло важную роль при заключении мирного договора.
Российская императрица Екатерина II, чтобы увековечить это событие, распорядилась создать в Большом Петергофском дворце Чесменский зал, воздвигнуть Чесменский обелиск в Гатчине и Чесменскую колонну в Царском Селе.