В критическую минуту, когда янычары прорвали каре Племянникова и подошли к главным силам – каре Олица, Румянцев отдал приказание артиллерийской бригаде П.И. Мелиссино «произвести жесточайший огонь» по противнику. Бригада Мелиссино и полковая артиллерия 1-го гренадерского полка блестяще выполнили задачу по огневой продержке своих каре. Не выдержав очередного удара, турки в панике бежали с поля боя. Не решаясь наступать, отошли к Аккерману (Белгород-Днестровскому) крымские татары. Деморализованная турецкая армия была добита во время переправы ее через Дунай. Ее потери были огромны: убитыми, ранеными, утонувшими, пленными насчитывалось до 20 тыс. человек, в качестве трофеев была захвачена почти вся артиллерия (около 130 орудий). Потери русских войск составили около 1 тыс. человек. Путь к Дунаю был открыт. В реляции о победе П.А. Румянцев доносил российской Императрице: «…Действием превосходным нашей артиллерии брали мы верх над неприятельскою многочисленною, осыпавшей нас ядрами и картечами без большого, однако ж, вреда, и их батареи приводили в молчание… артиллерия генерал-майора Мелиссино столь скоропалительно из своих пушек стреляла, что первым разом со всякого места опрокидывала неприятеля…».
Высокую оценку русской артиллерии, руководимой П.И. Мелиссино, дал и противник. ««…Не было сил сбить русских», – говорили пленные турки, – которые поражают нас огнем, как молнией». Петра Ивановича называли «одним из главных виновников одержанной победы». «…За деятельное участие в сражении при Кагуле, а также за великие в его звании исправность и искусство» генерал-майор П.И. Мелиссино указом Екатерины II награждается недавно утвержденным ею орденом Святого Великомученика и Победоносца Георгия III степени. За победу при Кагуле он получил и медаль с надписью: «Кагул, июля, 21 дня, 1770».
В ходе продолжавшейся войны П.И. Мелиссино пришлось некоторое время исполнять обязанности дежурного генерала в 1-ой армии, командовать пехотной бригадой. В 1773 году в боях под Силистрией генерал получил ранение, однако после выздоровления снова вернулся в строй, отличился при организации форсирования войсками Дуная. На этот раз боевая доблесть генерала была отмечена орденом святой Анны I степени. В этом же году генерал-майор Мелиссино возвращается с полей сражений в российскую столицу, где по Высочайшему повелению ему было дано указание «быть определенным в качестве присутствующего члена в Канцелярии Главной артиллерии и фортификации».
7 августа 1783 года на Сенатской площади в Санкт-Петербурге был торжественно открыт памятник Петру Великому – знаменитый «Медный Всадник». Но мало кто сейчас помнит, что именно Петр Иванович Мелиссино позировал скульптору Э. Фальконе во время работы того над скульптурой. Вот где пригодилось его поразительное сходство с великой тезкой!
В 1783 году по рекомендации Президента Военной коллегии Г. А. Потемкина, П.И. Мелиссино назначается директором