Правильно оценив обстановку, в частности слабые стороны боевого построения турецкого флота, адмирал Г.А. Спиридов предложил следующий план атаки. Линейные корабли, построенные в строй кильватера, пользуясь наветренным положением, должны были под прямым углом подойти к противнику и нанести удар по авангарду и части центра первой линии. После уничтожения кораблей первой линии удар предназначался по кораблям второй линии. Таким образом, план атаки, предложенный Спиридовым, был основан на принципах, не имеющих ничего общего с линейной тактикой западноевропейских флотов. Вместо равномерного распределения сил по всей линии Спиридов предложил сосредоточить все корабли русской эскадры против части сил противника. Это дало возможность русским уравнять свои силы с численно превосходящим турецким флотом на направлении главного удара. Вместе с тем выполнение этого плана было связано с известным риском, заключавшимся в том, что при подходе к противнику под прямым углом головной корабль русской эскадры до выхода на дистанцию артиллерийского залпа попадал под продольный огонь всей линии неприятельского флота. Однако адмирал Спиридов, учитывая высокую подготовку русских и слабую выучку турок, считал, что неприятельский флот не сможет причинить серьезного вреда русской эскадре в момент ее сближения.
Утром 24 июня русская эскадра вошла в Хиосский пролив и по сигналу главнокомандующего Алексея Орлова, находившегося на линейном корабле “Три Иерарха”, построилась в кильватерную колонну. Головным шел корабль “Европа”, за ним — “Евстафий”, на котором держал свой флаг командующий авангардом адмирал Спиридов. Около 11 часов русская эскадра в соответствие с ранее разработанным планом атаки повернула влево и почти под прямым углом начала спускаться на противника. Чтобы ускорить выход на дистанцию артиллерийского залпа и развертывания сил для атаки, русские корабли шли в сомкнутом строю. Для первого залпа орудия были заряжены двойными зарядами и двумя ядрами.
Около 11 часов 30 минут, когда головной корабль русской эскадры подошел к противнику на дистанцию 650 м, турки открыли огонь, который, однако, не причинил особого вреда русским. Продолжая движение на противника, русский авангард в
12 часов 00 минут сблизился с ним на дистанцию около 100 м и, развернувшись влево, произвел мощный залп из всех орудий по заранее распределенным целям. Вслед за авангардом в бой вступили и корабли центра. Бой принял чрезвычайно напряженный характер. Особенно ожесточенное сражение разгорелось между флагманскими кораблями противников — турецким «Реал-Мустафа» и российским “Евстафием”. Русский корабль причинил турецкому ряд серьезных повреждений, а затем сцепился на абордаж. Отчаянный рукопашный бой на палубе “Реал-Мустафы” закончился победой русских.
Характеризуя действия линейного корабля “Евстафий” в Чесменском сражении, Орлов в донесении Екатерине II писал: “Все корабли с великой храбростью атаковали неприятеля, все с великим тщанием исполняли свою должность, но корабль адмиральский “Евстафий” превзошел все прочие. Англичане, французы, венецианцы и мальтийцы, живые свидетели всем действиям, признались, что они тогда не представляли себе, чтоб можно было атаковать неприятеля с таким терпением и неустрашимостью”. И далее Орлов добавляет: “Свист ядер летающих, и разные опасности представляющиеся, и самая смерть, смертных ужасающая, не были довольно сильны произвести робости в сердцах сражавшихся с врагом россиян, испытанных сынов отечества…”
Вскоре после захвата неприятельского флагманского корабля на нем возник пожар, который затем перебросился на “Евстафий”; когда огонь достиг крюйткамеры, оба корабля взорвались. Адмирал Спиридов перед взрывом успел покинуть горящий корабль и перейти на другой. Гибель турецкого флагмана окончательно нарушило управление неприятельским флотом. В 13 часов турки, не выдержав атаки русских и боясь распространения пожара на другие корабли, поспешно начали рубить якорные канаты и отходить в Чесменскую бухту под защиту береговых батарей, где были заблокированы русской эскадрой. Таким образом, в результате первого этапа сражения, продолжавшегося около двух часов, погибло по одному кораблю с каждой стороны; инициатива целиком перешла к русским.
На военном совете 25 июня у графа Орлова был принят план Спиридова, заключавшийся в уничтожении турецких кораблей в собственной базе. Учитывая скученность кораблей противника, исключавшую для них возможность маневра, адмирал Спиридов предложил уничтожить турецкий флот комбинированным ударом корабельной артиллерии и брандеров, причем главный удар должна была нанести артиллерия. Для атаки противника 25 июня были оборудованы 4 брандера и создан специальный отряд под командованием младшего флагмана С.К. Грейга в составе 4 линейных кораблей, 2 фрегатов и бомбардирского корабля “Гром”. Замысел атаки, разработанный Спиридовым, сводился к следующему. Корабли, выделенные для атаки, пользуясь темнотой, должны были в ночь на 26 июня скрытно подойти к противнику на дистанцию около 500 м и, став на якорь, открыть внезапный огонь: линейные корабли и бомбардирский корабль “Гром” — по кораблям, фрегаты — по береговым батареям противника.