Остальные корабли под командованием Д.Н. Сенявина и младшего флагмана контр-адмирала А.С. Грейга должны были в случае необходимости усилить атакующих и воспрепятствовать кораблям турецкого авангарда прийти на помощь своим флагманским кораблям.

Избирая объектом главного удара флагманские корабли турок, Д.Н. Сенявин учитывал особенности противника: личный состав турецкого флота хорошо сражался только до тех пор, пока держался флагман. При этом адмирал основывался на хорошей боевой и морской выучке русских моряков и их значительном превосходстве в этом отношении над турецкими.

В 7.45 на «Твердом» был поднят сигнал флагмана: «Назначенным кораблям атаковать неприятельских флагманов вплотную». Шесть кораблей тремя тактическими группами на параллельных курсах начали спускаться на противника почти перпендикулярно к его боевой линии с тем, чтобы одновременно атаковать все флагманские корабли. Если бы они шли кильватерной колонной, то тактическое развертывание заняло бы значительное время.

Остальные корабли сближались с турецким авангардом. Д.Н. Сенявин стремился осуществить маневр охвата головы турецкого флота и исключить возможность оказания помощи атакованным флагманам со стороны кораблей авангарда. С приближением русской эскадры турки открыли огонь, стараясь повредить паруса и рангоут русских кораблей, чтобы лишить их возможности маневрировать.

Наши суда, не отвечая, в молчании приближались к туркам и, только подойдя на картечный выстрел, открыли жестокий огонь. Первым к линии противника подошел «Рафаил». Он дал залп из всех орудий левого борта (заряженных сдвоенными ядрами) по кораблю Саида-Али «Мессудие». Однако, потеряв управление из-за поврежденных парусов, «Рафаил» сам увалился под ветер и прорезал неприятельскую линию между «Мессудие» и «Сед-эль-Бахри». Его атаковали два линейных корабля, два фрегата и бриг. «Мессудие» уже готовился свалиться на абордаж, но меткий огонь «Рафаила» заставил капудан-пашу отойти.

Вслед за «Рафаилом» вступили в бой остальные корабли атакующей группы, действуя против назначенных им кораблей противника. «Уриил» вынужден был перенести огонь с «Сед-эль-Бахри» на «Мессудие», чтобы заменить «Рафаила». К 9 часам «Селафаил», «Сильный», «Мощный» и «Ярослав» заняли свои места против турецких флагманов. С дистанции картечного и даже ружейного выстрела они метким огнем наносили им серьезные повреждения в парусном вооружении и поражали личный состав турецких кораблей. При этом «Селафаил» почти час сражался один на один с «Сед-эль-Бахри».

Около 9 часов Д.Н. Сенявин на «Твердом», а вслед за ним и остальные три корабля его группы – «Скорый», «Ретвизан» и «Св. Елена» – вышли в голову турецкого флота. «Твердый», сбив выдвинувшийся вперед турецкий фрегат, преградил путь головному кораблю и дал по нему продольный залп почти в упор. Получив повреждения, турецкий корабль лег в дрейф и тем самым остановил движение всех остальных кораблей. Таким образом, был полностью осуществлен маневр охвата головы флота противника.

Обогнув головной турецкий корабль, Д.Н. Сенявин пошел на помощь «Рафаилу», который к этому времени исправил свои повреждения и, поравнявшись с турецким авангардом, вел огонь с обоих бортов. Действия «Твердого» и остальных кораблей группы Д.Н. Сенявина привели к тому, что турецкий авангард был поставлен в два огня. Сильно поврежденные корабли авангарда спустились под ветер, нарушив строй. Приведя к ветру, «Твердый» преградил путь турецким флагманским кораблям и дал продольный залп под нос «Сед-эль-Бахри», до этого пострадавшего от огня «Селафаила» и «Уриила».

Одушевленные примером флагмана, подчиненные старались превзойти друг друга: сражение распространилось по всей линии, некоторые корабли сражались на расстоянии пистолетного выстрела и исправляли свои повреждения, не прекращая боя. Так, например, на корабле «Селафаил» (командир П.М. Рожнов) в самом пылу сражения, под сильным картечным огнем переменили марса-рею.

Не выдержав огня русских кораблей, турецкий флагман «Мессудие» около 10 часов уклонился к западу. По сигналу Д.Н. Сенявина за ним устремился «Сильный», войдя в гущу неприятельского флота и отбиваясь на оба борта.

На корабле «Ярослав» был перебит весь бегучий такелаж и потеряно управление парусами. Корабль развернуло на левый галс и он стал расходиться с турецкой эскадрой контр-курсами, но не прекратил боя. Проходя мимо трех турецких кораблей неприятельского арьергарда и двух фрегатов, он энергично обстреливал их. Одновременно экипаж исправлял повреждения. Турки пытались уничтожить отделившийся от эскадры русский корабль. Его пытались атаковать линейный корабль и фрегат, но «Ярослав» картечным огнем заставил их отступить. После чего он повернул на левый галс и пошел на соединение со своей эскадрой.

К 11 часам, через три с половиной часа от начала боя, благодаря успешному действию артиллерии и искусному маневрированию наших судов, боевой порядок противника был окончательно нарушен. Турецкие корабли, пользуясь подветренным положением, стали уходить к полуострову Афон. Около 12 часов корабли турецкого арьергарда пытались оказать помощь своим флагманам, но «Твердый» продольным огнем правого борта остановил их. К 13 часам ветер стих, и в 13.30 русские корабли прекратили огонь, обе эскадры, прекратив бой, находились в беспорядке около Афонского полуострова.

Русские корабли в упорном бою получили серьезные повреждения, и Д.Н. Сенявин приказал срочно их исправлять, рассчитывая возобновить сражение.

После 14 часов подул западный ветер. Воспользовавшись этим, турки привели в крутой байдевинд и стали удаляться на север.

Сильно поврежденный «Сед-эль-Бахри» и конвоировавшие его линейный корабль и два фрегата направились в залив Айон-Орос. Д.Н. Сенявин послал вдогонку «Селафаил» и «Уриил». В ночь на 20 июня «Сед-эль-Бахри» был захвачен у полуострова Афон «Селафаилом». Сопровождавшие турецкий флагман суда при появлении русского корабля бросили поврежденный корабль и ушли в глубь залива к острову Николинда. «Селафаил» взял «Сед-эль-Бахри» на буксир и повел к своей эскадре.

Для преследования и уничтожения турецкого корабля и фрегатов, укрывшихся в заливе Айон-Орос, Д.Н. Сенявин направил наименее пострадавшие в сражении корабли «Ретвизан», «Сильный», «Уриил» и «Св. Елена» под командованием А.С. Грейга. Утром 21 июня, видя безвыходность своего положения, не решаясь вступить в бой, корабль и оба фрегата выбросились на мель и, после своза команд на берег, были сожжены самими турками.

Этим не ограничились потери неприятеля в Афонском сражении. Сильно пострадавшие от огня нашей артиллерии, корабль и фрегат не могли держаться в море и были сожжены самими турками у острова Тино, а два фрегата потонули у острова Самотраки. Всего турки потеряли три линейных корабля, четыре фрегата и корвет. Остальные уцелевшие корабли были сильно повреждены. О размерах потери турок в людях можно судить по тому, что на взятом в плен корабле из 800 человек команды 230 было убито и 160 ранено. Наши корабли также значительно пострадали, получив большие повреждения в корпусе и рангоуте, но общее число убитых и раненых на всех судах эскадры не превышало 200 человек. В числе убитых в Афонском сражении был командир корабля «Рафаил» капитан 1 го ранга Д.А. Лукин, славившийся своей необыкновенной физической силой.