Около двух часов ночи, когда взорвалось два неприятельских корабля, наступил момент для атаки брандеров. Бригадир Грейг с линейного корабля «Ростислав» дал ракету. Брандеры устремились вперед. Стрельба с русских кораблей временно затихла. ',' Когда Ибрагим Хосамеддин заметил приближение небольших судов со стороны русских кораблей, он предположил, что это дезертиры, пытающиеся перейти на его сторону. Но вскоре турецкие военачальники поняли опасность; по брандерам был открыт сильный огонь, а наперехват им направились турецкие галеры.
Первые три брандера не достигли поставленной цели. Один из них был перехвачен турецкими галерами, другой сел на мель, третий был преждевременно пущен по ветру. Только экипаж под командованием лейтенанта Дмитрия Ильина блестяще выполнил боевое задание.
Под огнем сотен неприятельских орудий брандер Ильина пересек бухту, подошел к турецкому флоту и-сблизился с большим 84-пушечным линейным кораблем. Ильин зажег фитиль и, пересев в шлюпку со своей командой, направил горящий брандер к борту неприятельского корабля. Отойдя от него на небольшое расстояние, он приказал гребцам остановиться, чтобы убедиться в успешности атаки. Только после того, как был замечен огромный пожар на неприятельском корабле, подожженном брандером, Ильин возвратился к своей эскадре.
Успешная атака Ильина усилила поражение неприятеля. От горящих обломков взорванных судов турецкие корабли загорались один за другим. Взлетели на воздух корабли Патрон-бея и Сафер-бея, вслед за ними последовали взрывы других судов. Вся Чесменская бухта была озарена пламенем.
Когда рассвело, с русской эскадры направился отряд баркасов и шлюпок, чтобы, «ежели возможно, вывести из залива несколько кораблей и других судов». Одна из шлюпок приблизилась к турецкому линейному кораблю «Родос». Матросы взобрались на палубу вражеского корабля и стали выводить его из огненного океана. В другой стороне бухты матросы овладели пятью турецкими галерами.
Утром 26 июня в Чесменской бухте взорвался последний турецкий корабль. Экипажи неприятельского флота и гарнизон приморской крепости оставили Чесму и бежали в Смирну.
Русский флот одержал полную победу. В результате сражения неприятель потерял все корабли, находившиеся в составе его эскадры. После сражения адмирал Спиридов писал: «Честь всероссийскому флоту! С 25-го на 26-е неприятельский военный турецкий флот атаковали, разбили, разломали, сожгли, на небо пустили, потопили, в пепел "обратили… а сами стали быть во всем Архипелаге господствующими».
В честь одержанной победы все моряки русской эскадры были награждены медалью с краткой, но многозначительной надписью; «БЫЛ».