Хасан-паша, решившись атаковать, на своем флагманском корабле обошел весь флот и дал наставления младшим флагманам и командирам кораблей. Вскоре после 13 часов турецкий флот в двух густых колоннах начал спускаться для атаки российского флота. Первую колонну составил авангард под личным командованием капудан-паши (6 кораблей), вторую — кордебаталия (6 кораблей) и арьергард (5 кораблей), соответственно под командованием вице-адмирала и контр-адмирала.
Командир российского авангарда Ф.Ф. Ушаков, считая, что турки пытаются атаковать и отрезать арьергард Севастопольского флота, приказал передовым фрегатам «Берислав» и «Стрела» прибавить парусов и держать в крутой бейдевинд, чтобы «выиграв ветр сделать передовым через контра-марш поворот и при оном бить неприятеля с ветру» (иначе говоря, поставить в два огня). Оценив эту угрозу, капудан-паша с авангардом повернул влево, и вскоре весь турецкий флот начал выстраиваться в линию баталии напротив российского. При этом авангард Ф.Ф. Ушакова оказался ближе к противнику, который изменил план атаки. Около 14 ч 05 мин капудан-паша открыл огонь, поддержанный другими турецкими кораблями, и с двумя передними мателотами, прибавив парусов, «как лев» атаковал два сравнительно слабых русских передовых фрегата. Турецкие бомбардирские корабли, находились по одному за линиями своих авангарда, кордебаталии и арьергарда. Поддерживая огонь линейных кораблей, они непрерывно стреляли из тяжелых мортир, но без особого успеха.
Заметив маневр противника. Ф.Ф. Ушаков на «Святом Павле», атакованном одним 80-пушечным и двумя 60-пушечными кораблями турецкого авангарда, приказал поставить все паруса и вместе с передовыми фрегатами еще круче привел к ветру, сблизившись с турецким авангардом. При этом «Берислав» и «Стрела», выходя на ветер и вступив в тяжелый бой на близкой дистанции, начали отрезать два передовых турецких корабля. Один из последних сразу повернул оверштаг и вышел из боя. Другой вскоре тоже повторил его маневр, получив несколько брандскугелей и ядер с русских фрегатов. Стремясь вернуть в строй своих подчиненных, Хасан-паша приказал открыть по ним огонь, но все равно остался один, будучи атакованным двумя русскими фрегатами и подошедшим к ним на помощь 66-пушечным «Святым Павлом» Ф.Ф. Ушакова, отразившим трех своих противников. Несмотря на превосходство в весе бортового залпа, флагманский корабль Хасан-паши не смог вывести из строя сравнительно слабые фрегаты: турецкие ядра и книппеля, в основном, поражали рангоут и такелаж, а сам огонь турок был недостаточно меток. Только «Берислав» получил у форштевня большую пробоину от 40-кг каменного ядра.
Зато сам флагманский корабль турецкого флота был тяжело поврежден огнем «Св. Павла», «Берислава» и «Стрелы», стрелявших с дистанции картечного выстрела. Между тем, М.И Войнович оставался пассивным наблюдателем жаркого боя авангардов, не поддержав своего младшего флагмана, хотя и переменил курс, следуя движениям последнего. Восемь кораблей российского центра и арьергарда вели перестрелку с противником на дистанциях 3–4 кабельтова, хотя, по мнению М.И. Войновича, эта дистанция была сознательно выбрана турками, как недоступная для эффективной стрельбы русских 12-фунтовых (119-мм) фрегатских орудий.
Пассивность российского командующего позволила кораблям турецких вице-адмирала и контр-адмирала выйти из строя и броситься на поддержку капудана-паши. При этом турецкий вице-адмиральский корабль дважды загорался от брандскугелей с фрегата «Кинбурн», а потом был отражен «Святым Павлом» с повреждением фок-мачты. Контр-адмиральский корабль противника, на котором была сбита фор-стеньга, также не смог эффективно поддерживать Хасан-пашу.
Наконец, около 16 часов 55 минут капудан-паша, не выдержав сосредоточенного огня российского авангарда, повернул оверштаг и поспешил выйти из боя. За ним поспешно последовали остальные турецкие корабли, и сражение прекратилось.
В успешном отражении нападения превосходящих сил противника решающую роль сыграли инициативные действия Ф.Ф. Ушакова, которому удалось не только расстроить маневрами не лишенный оригинальности замысел Хасана-паши, но и сосредоточить против флагманского корабля турок три корабля своего авангарда. Сражаясь на дистанциях картечного выстрела, Ушаков блестяще реализовал также принцип взаимной поддержки. В то же время лучшая стрельба российских кораблей не позволила противнику реализовать этот принцип. В замешательстве, возникшем при отступлении флота, одна турецкая шебека попала под огонь российского авангарда и пошла ко дну. Потери турецкого флота в людях точно неизвестны, но все флагманские корабли и несколько кораблей авангарда противника получили заметные повреждения корпуса, рангоута, такелажа и парусов.
Российский Севастопольский флот потерял всего семь матросов и солдат убитыми и ранеными, из них шестеро приходились натри корабля ушаковского авангарда — «Святой Павел», «Берислав» и «Кинбурн». На «Стреле» потерь в людях не было. «Святой Павел», «Берислав» и «Стрела» получили некоторые повреждения рангоута, такелажа и парусов. Из других кораблей флота только 40-пушечный фрегат «Фанагория», как и «Берислав», был пробит в подводной части ядром, вызвавшим сильную течь.
После сражения М.И. Войнович, не собираясь преследовать противника, продолжал идти к берегам Крыма. Под впечатлением победы он написал Ушакову: «Поздравляю тебя, бачушка Федор Федорович. Сего числа поступил ты весьма храбро: дал ты капитан-паше порядочный ужин. Мне все видно было. Что нам бог даст вечером?… Вам скажу после, а наш флотик заслужил чести и устоял противу этакой силы».
В последующие трое суток — до самого Херсонеса (на входе в Севастополь) — турецкий флот следовал за русским, но атаковать более не решился. М.И. Войнович по-прежнему ожидал атаки в сомкнутой линии и в подветренном положении, надеясь на своего младшего флагмана. 5 июля он писал Ушакову: «Если подойдет к тебе капитан-паша, сожги, бачушка, проклятого… Если будет тихо, посылай ко мне часто свои мнения о том, что предвидишь… На тебя моя надежда, в храбрости нет недостатка»{22}. К вечеру 6 июля 1788 года турецкий флот повернул в море, а утром 7 июля скрылся из виду в направлении к берегам Румелии (европейской Турции).
Таким образом, российский Севастопольский флот, несмотря на нерешительность своего командующего, имел определенный стратегический успех, отразил нападение превосходящих сил вражеского флота, нанеся ему существенные потери, и более чем на неделю отвлек капудан-пашу от Очакова, который 1 июля был осажден Екатеринославской армией Г.А. Потемкина. Однако М.И. Войнович не развил успеха и, прибыв в Севастополь, не поспешил вновь выйти в море, отговариваясь необходимостью устранения незначительных, по существу, повреждений. В то же время Хасан-паша, исправив повреждения, 29 июля вновь подошел к Очакову, откуда удалился к Босфору только 4 ноября 1788 года, узнав о запоздалом выходе в море (2 ноября) Севастопольского флота. 6 декабря Очаков был взят штурмом российскими войсками.
Тем не менее, Потемкин и Екатерина II оценили сражение при Фидониси как важную победу молодого Черноморского флота. Контр-адмирал М.И. Войнович был награжден орденом Св. Георгия 3-й степени. Сам же командующий в своем донесении постарался нивелировать заслуги участников сражения. В результате не было уважено представление Ф.Ф. Ушакова о награждении орденами Св. Георгия 4-й степени отличившихся командиров капитана 2 ранга Я.Н. Саблина(«Берислав»), капитан-лейтенанта М.Н. Нелединского («Стрела») и офицеров «Святого Павла» капитан-лейтенантов Ф.В. Шишмарева, И.И.Лаврова и унтер-лейтенанта морской артиллерии П. Копытова.
Необъективность М.И. Войновича и стремление Ф.Ф. Ушакова к восстановлению истины привели к конфликту между старшим и младшим флагманами. Разобравшись в обстоятельствах дела, Г.А. Потемкин, недовольный пассивностью Войновича, тактично встал на сторону его подчиненного. Он удалил в декабре 1788 года контр-адмирала Н.С. Мордвинова от должности старшего члена Черноморского адмиралтейского правления (вскоре Н.С. Мордвинова уволили в отставку). В январе следующего года Г.А. Потемкин назначил на его место М.И. Войновича, который вскоре уехал в Херсон. Ф.Ф. Ушаков стал исполнять обязанности командующего Севастопольским корабельным флотом. 27 апреля 1789 года он был произведен в контр-адмиралы, а через год, 14 марта 1790 года назначен командующим флотом под главным начальством князя Г.А. Потемкина-Таврического.