Петр решил создать количественный перевес в личном составе абордажных команд. На 23 судна он посадил почти четыре тысячи человек, которыми командовал генерал А.А. Вейде.
Когда обе стороны изготовились к сражению, генерал-адмирал Апраксин все же послал к шведам парламентера генерал-адьютанта П.И. Ягужинского. Русский парламентер предложил Эреншельду спустить флаги во избежание «пролития христианской крови», обещав при этом ему и его личному составу хорошее обращение в плену, на что шведский флагман ответил: «Я всю жизнь служил с неизменною верностью своему королю и отечеству, и как я до сих пор жил, так и умирать собираюсь, отстаивая их интересы. Царю как от меня, так и от подчиненных моих нечего ждать, кроме сильного отпора, и, ежели он решит нас заполонить, мы еще с ним поспорим за каждый дюйм до последнего вздоха». Получив от Эреншельд а отказ, генерал-адмирал Апраксин дал сигнал начать атаку неприятеля.
«Когда адмирал генерал похочет, дабы авангардии итить или послать, по разсмотрению, на обордирунг (абордаж. — В.Д.) к неприятелю, тогда будет поднят один флаг весь синей у тринкетовой андривели (передняя мачта. — В.Д.), и райна (рей. — В.Д.) тринкетовая к баталии поднята будет, и выстрелить из одной пушки» — так указывалось в петровских Генеральных сигналах. Именно такой сигнал о начале сражения передал судам авангарда генерал-адмирал Апраксин.
Битва началась около двух часов пополудни и продолжалось более двух часов. Наступление велось с флангов. Русские одну за другой захватывали шведские галеры, затем «Элефант» спустил флаг. Сражение было чрезвычайно упорным. На этапе сближения с обеих сторон велась интенсивная артиллерийская перестрелка. После перестрелки из судовых пушек в дело пошло ручное огнестрельное оружие, а потом начался абордаж. В походном журнале Петра Великого об этом сражении оставлена следующая запись: «Воистину нельзя описать мужество наших, как начальных, так и рядовых, понеже абордирование так жестоко чинено, что от неприятельских пушек несколько солдат не ядрами и картечами, но духом пороховым от пушек разорваны». Шведы только убитыми потеряли 361 человека. На берегу вблизи места сражения были погребены 127 россиян, погибших в сражении в Рилакс-фиорде.
В этом сражении Петр сумел создать превосходство в силах на главном направлении, сосредоточив против флагманского судна противника сразу одиннадцать галер, а ударами по флангам исключил из действия часть артиллерии противника. Эреншельд решил, что со стороны русских последует фронтальный удар, но просчитался. Петр и тут переиграл шведского флагмана.
Все участники Гангутского сражения были награждены медалями: штаб-и обер-офицеры — золотыми, урядники и рядовые — серебряными. На лицевой стороне медали изображен Петр Великий в лавровом венке и доспехах, а на оборотной — фрагмент Гангутского сражения и надпись: «Прилежание и верность превосходит силно. Июля 27 дня 1714». Вокруг портрета Петра выбита надпись: «Царь Петр Алексеевич Вс. России Повелитель». Впоследствии была сделана еще и памятная медаль в честь этого сражения. На ней на латинском языке выбита надпись: «Первые плоды Российскаго флота».
В этом сражении особенно отличился капитан-командор Матвей Христофорович Змаевич. В русском флоте он числился с 1710 года, а прибыл в Россию только в 1712 году и сразу же был зачислен в галерный флот капитаном 1 ранга. Он командовал прорывом в Рилакс-фиорд первого отряда галер и первым блокировал эскадру Эреншельда, а в самом сражении — еще и галерами правого крыла, которые действовали особенно успешно. Змаевич дослужился в русском флоте до полного адмирала (хотя и был разжалован в вице-адмиралы за допущенные злоупотребления) и считался самым знающим и самым опытным в галерном деле.
31 июля 1714 года в Рилакс-фиорде состоялось празднование победы. После благодарственного молебна из всех орудий и ружей прогремел троекратный салют. Над захваченными шведскими судами развевались русские Андреевские флаги, под которыми висели склоненные книзу шведские. 1 августа захваченные у шведов суда были отправлены в Гельсингфорс, а затем в Петербург. Галерный же флот ушел в сторону Аландских островов, которые и захватили без особого труда. Но путь к Стокгольму им преграждал шведский корабельный флот, в связи с чем Петр изменил план продвижения галер: они пошли вдоль финского побережья Ботнического залива на север с целью вытеснения шведов из этих районов.