После неудач на суше успех экспедиции зависел от исхода схватки с турецким флотом. Несмотря на превосходство турок, русские моряки настойчиво искали неприятеля на море.
24 июня 1770 года в проливе у острова Хиос первым обнаружил турецкую эскадру отряд под командой С. Грейга. На следующий день русская эскадра решительно атаковала превосходящего противника и заставила его укрыться в Чесменской бухте.
В донесении Екатерине Г. А. Орлов отметил стойкость и отвагу моряков: «Все корабли с великой храбростью атаковали неприятеля, все с великим прилежанием исполняли свою должность, но корабль адмиральский „Святой Евстафий“ превзошёл все прочие. Англичане, французы, венециане и мальтийцы, живые свидетели всем действиям, призналися, что они никогда не представляли себе, чтоб можно было атаковать неприятеля с таким терпением и неустрашимостью». — Отметил атаку флагманского корабля и Грейг. «„Святой Евстафий“[10], производя быстрый и хорошо направленный огонь, в весьма близком расстоянии от неприятеля, также вышел вперёд наветренного неприятельского корабля. Пока флоты находились в этом тесном и жестоком бою, и „Святой Евстафий“, как было упомянуто, навалил на наветренный неприятельский корабль и загорелся, турецкие суда, будучи все под ветром… и страшась, чтобы его не несло прямо на них, начали рубить канаты и отдавать паруса и в совершенном беспорядке и ужасе обратились в бегство в Чесменскую бухту. Как скоро русские заметили, что неприятель намерен бежать, граф Орлов приказал обрубить канат на корабле „Трёх иерархов“ и, сделав сигнал общей погони, преследовал неприятеля до того времени, пока он не вошёл в Чесменскую бухту. Турецкие корабли бросились сюда в совершенном беспорядке, сталкиваясь между собою, отчего некоторые из них потеряли бушприты».
Адмирал Спиридов подвёл итог боя в Хиосском проливе, первого этапа Чесменского сражения: «Легче мне предвидеть, что сие их убежище будет и гроб их».
В следующую ночь уничтожение турецкого флота началось атакой отряда Грейга. «Командор бросил якорь против середины, входа в бухту, около полтора кабельтова от неприятеля, в первой четверти часа ночи. „Не тронь меня“ в то же время бросил якорь около полукабельтова далее и к северной стороне входа. Фрегаты стали против назначенных им батарей.
Час с четвертью продолжался ужасный огонь с обеих сторон. В это время каркас, брошенный с бомбардирского корабля, упал в рубашку грот-марселя одного из турецких кораблей. Так как грот-марсель был совершенно сух и сделан из бумажной парусины, то он мгновенно загорелся и распространил пожар по мачте и такелажу. Грот-стеньга скоро перегорела и упала на палубу, отчего весь корабль тотчас же был объят пламенем».