Утром 28 августа (8 сентября) турецкий флот, состоявший из 14 линейных кораблей, 8 фрегатов и 23 других судов, продолжал стоять на якоре между мысом Тендра и Хаджибеем. Неожиданно Хасан-паша обнаружил русские корабли, идущие под всеми парусами со стороны Севастополя в походном ордере трех колонн. Появление русских привело турок в замешательство. Несмотря на превосходство в силах, они спешно стали рубить канаты и в беспорядке отходить к Дунаю. Ушаков приказал нести все паруса и, оставаясь в походном ордере, стал спускаться на неприятеля. Передовые турецкие корабли, наполнив паруса, удалились на значительное расстояние. Но, заметив опасность, нависшую над арьергардом, Хасан-паша стал соединяться с ним и строить линию баталии. Ушаков, продолжая сближение с неприятелем, также отдал приказ перестраиваться в боевую линию. В результате русские корабли «весьма споро» выстроились в боевой порядок на ветре у турок.

Используя оправдавшее себя в Керченском сражении изменение в боевом порядке, Федор Федорович вывел из линии три фрегата — «Иоанн Воинственник», «Иероним» и «Покров Богородицы» для обеспечения маневренного резерва на случай перемены ветра и возможной при этом атаки неприятеля с двух сторон. В 15 часов, подойдя к противнику на дистанцию картечного выстрела, Ф. Ф. Ушаков принудил его к бою. И уже вскоре под мощным огнём русской линии противник начал уклоняться под ветер и приходить в расстройство. Подойдя ближе, русские со всей силой обрушились на передовую часть турецкого флота. Флагманский корабль Ушакова «Рождество Христово» вел бой с тремя кораблями противника, заставив их выйти из линии.

К 17 часам вся турецкая линия была окончательно разбита. Теснимые русскими, передовые неприятельские корабли повернулись к ним кормой, чтобы выйти из боя. Их примеру последовали и остальные суда, ставшие в результате этого маневра передовыми. Во время поворота по ним был сделан ряд мощных залпов, причинивших им большие разрушения. Особенно пострадали два флагманских турецких корабля, находившиеся против «Рождества Христова» и «Преображения Господня». На турецком флагмане были сбиты грот-марсель, перебиты реи, стеньги и разрушена кормовая часть. Бой продолжался. Три турецких корабля были отрезаны от основных сил, а кормовая часть корабля Хасан-паши разнесена в щепки русскими ядрами. Неприятель обратился в бегство в сторону Дуная. Ушаков преследовал его до тех пор, пока темнота и усилившийся ветер не вынудили прекратить погоню и встать на якорь.

На рассвете следующего дня оказалось, что турецкие корабли находятся в непосредственной близости от русских, фрегат которых «Амвросий Медиоланский» и вовсе оказался среди вражеского флота. Но так как флаги ещё не были подняты, то турки приняли его за своего. Находчивость командира — капитана М. Н. Нелединского — помогла ему выйти из столь сложного положения. Снявшись с якоря с прочими турецкими судами, он продолжал следовать за ними, не поднимая флага. Понемногу отставая, Нелединский дождался момента, когда опасность миновала, поднял Андреевский флаг и ушел к своему флоту. Ушаков отдал команду поднять якоря и вступить под паруса для преследования противника, который, имея наветренное положение, стал рассеиваться в разные стороны. Однако от турецкого флота отстали сильно поврежденные 74-пушечный корабль «Капудания», который был флагманским Саид-бея, и 66-пушечный «Мелеки-Бахри». Последний, потеряв своего командира Кара-Али, убитого ядром, сдался без боя, а «Капудания», пытаясь оторваться от преследования, направился к мелководью, отделявшему фарватер между Кинбурном и Хаджибеем. В погоню был послан командир авангарда капитан бригадирского ранга Г. К. Голенкин с двумя кораблями и двумя фрегатами. Корабль «Св. Андрей» первым настиг «Капуданию» и открыл огонь. Вскоре подоспел «Св. Георгий», а вслед за ним — «Преображение Господне» и ещё несколько судов. Подходя из-под ветра и произведя залп, они сменяли друг друга.

Корабль Саид-бея был практически окружён, но продолжал храбро защищаться. Ушаков, видя бесполезное упорство неприятеля, в 14 часов подошёл к нему на расстояние 30 сажен, сбил с него все мачты и уступил место следовавшему за ним «Св. Георгию». Вскоре «Рождество Христово» снова встал бортом против носа турецкого флагмана, готовясь к очередному залпу. Но тут, видя свою безысходность, турецкий флагман спустил флаг.

Русские моряки вступили на борт уже объятого пламенем неприятельского корабля, в первую очередь стараясь отобрать для посадки в шлюпки офицеров. При шквальном ветре и густом дыме последняя шлюпка с большим риском вновь подошла к борту и сняла Саид-бея, после чего корабль взлетел на воздух вместе с оставшимся экипажем и казной турецкого флота. Взрыв большого адмиральского корабля на глазах у всего турецкого флота произвел на турок сильное впечатление и довершил моральную победу, добытую Ушаковым при Тендре. Усиливавшийся ветер, повреждения в рангоуте и такелаже не позволили Ушакову продолжить преследование противника. Русский командующий отдал приказ прекратить погоню и соединиться с Лиманской эскадрой.