У Орлова перед началом сражения было 9 линейных кораблей, 3 фрегата, 1 бомбардирский корабль, 1 пакетбот, 3 пинка и еще 13 более мелких судов. Русский флот был выстроен в три линии баталии – авангард, кордебаталия (средний ряд) и арьергард. В авангарде шел адмирал Спиридов, неся свой флаг на корабле «Святой Евстафий» (командир – капитан 1-го ранга Круз, один из будущих героев нашего цикла), с линейными кораблями «Европа» (капитан 1-го ранга Клокачёв) и «Три святителя» (капитан 1-го ранга Хметевский) и фрегатом «Святой Николай» (лейтенант Паликути). В «кордебаталии» – три линейных корабля: «Три иерарха» (капитан-бригадир Грейг), «Ростислав» (капитан 1-го ранга Лупандин), «Святой Януарий» (капитан 1-го ранга Борисов) и два фрегата «Надежда благополучия» (капитан-лейтенант Степанов) и «Африка» (капитан-лейтенант Клеопин); командир кордебаталии Грейг на «Трех иерархах», на том же корабле верховный командир всей эскадры граф Алексей Орлов. В арьергарде – три линейных корабля «Не тронь меня» (на этом корабле флаг Эльфинстона, командир капитан 1-го ранга Бешенцев), «Саратов» (капитан 2-го ранга Поливанов), «Святослав» (капитан 1-го ранга В. В. Роксбург) и несколько мелких судов.
На кораблях был зачитан приказ графа Орлова: «В случае может, что мы должны будем атаковать неприятельский флот, стоящий на якоре, чему и мы себя должны приуготовить, чего-для приказать на всех кораблях и прочих судах с обеих сторон приготовить по одному якорю, привязав за рым кабельтовы, для спрынгу с обеих сторон; и ежели дойдет, что класть якорь, то бросать с той стороны, которая от неприятеля; по неизвестным же распоряжениям неприятельскаго флота, каким образом оной атаковать, диспозиция не предписывается, а по усмотрению впредь дана быть имеет». Приказ командующему был написан командиром «Трех иерархов» С. К. Грейгом.
Командиры русской эскадры применили новую военную тактику. Для нанесения решающего удара они начали атаку в линии, перпендикулярной неприятелю. Этот маневр был очень рискованным, т. к. русские корабли сближались с турецкими в кильватерной колонне почти перпендикулярно линии противника и подвергались при этом продольному огню артиллерии части турецких кораблей, будучи сами лишены возможности отвечать бортовым залпом. Расчет строился на быстром сближении с противником, что позволяло несколько минимизировать потери. При этом учитывалось, что сектора стрельбы корабельной артиллерии в то время были весьма ограниченны и противник не смог бы сосредоточить на русском флоте огонь всех своих орудий.
Потеряв в результате сражения своего флагмана, турецкие корабли спешно покинули поле боя и укрылись в Чесменской бухте, защищенной несколькими батареями. Русские корабли заблокировали выход из нее и стали готовиться продолжить сражение позже. Лишь бомбардирский