Ранним утром, между 2.00 и 4.30, отряд Тернинга атаковал у Пейсари отряд Лежнева, после чего отправился на сборный пункт. В 6.00 корабельный флот поставил паруса и пошел на прорыв.
С русской стороны первый удар шведского корабельного флота принял контр-адмирал Повалишин, который свои корабли поставил так, что шведы попадали под огонь с разных сторон и в то же время не могли охватить весь его отряд. Неприятель был вынужден идти по огненному коридору. Один из шведских кораблей попробовал избежать этой участи и обойти русские корабли с другой стороны, но сел на мель; остальные направились по фарватеру. Тем не менее почти все корабли, благодаря принятым мерам, прошли без больших потерь. Неожиданным сюрпризом стали шведские брандеры. Они были пущены, когда шведы еще прорывались сквозь строй. Увидев пылающий брандер, который двигался на русскую линию, «Всеслав» и «Святой Петр» по приказу контр-адмирала обрубили якорные канаты и пропустили горящее судно, после чего продолжили обстрел противника. Сопровождавшие брандер корабль и фрегат не справились с управлением, сцепились с пылающим судном, вскоре были охвачены огнем и взорвались. Два меньших брандера погибли без пользы.
Пройдя отряд Повалишина, шведские корабли столкнулись с фрегатами контр-адмирала Ханыкова между островом Пейсари и банкой Пассалода. Ближе к банке стоял фрегат «Архангел Гавриил», далее «Брячислав» и гребной фрегат «Святая Елена». Они открыли по шведам такой огонь, что заставили их изменить курс, причем часть шведских кораблей попала на банку Пассалода.
Бой недешево стоил и русским. Корабли эскадры Повалишина получили значительные повреждения в рангоуте, парусах и такелаже. Потери составили убитых 49, раненых 98 человек. Особенно пострадал бомбардирский корабль «Победитель», потерявший две мачты, он некоторое время один выдерживал огонь шведов, когда другие корабли отошли, уступая дорогу брандерам. В итоге ни корабли Повалишина, ни имевшие подводные пробоины фрегаты Ханыкова не могли участвовать в преследовании уходящего противника. На ходу остался лишь гребной фрегат «Святая Елена», который преследовал и взял большую галеру «Палмшерна». Когда шведский флот стал удаляться, стоявшие на мели корабли спустили флаги и сдались.
С флагманского «Ростислава» Чичагов видел, как шведы атакуют Лежнева, но около 4.00 бой прекратился. Шведские гребные суда продолжали уходить из-за Березовых островов к своему флоту, на котором были распущены марсели; ожидая нападения, Чичагов в 5.45 приказал флоту лечь на шпринг и приготовиться к бою, ибо встречный ветер способствовал движению противника. У королевского флота было три направления прорыва, и когда в шестом часу стало видно, что шведы распускают паруса, адмирал решил выжидать, куда они пойдут, прикрывая по-прежнему все возможные пути. На российских кораблях также были приняты меры для быстрой постановки парусов. Чичагов ожидал, видимо, что шведы пойдут прямо на юг.
Тем временем большая часть шведского флота в начале восьмого часа снялась с якоря и направилась колонной к западному проходу. Один за другим корабли уходили к северу, а затем поворачивали на отряд Повалишина. Теперь намерения противника определились. Перед Чичаговым стояли два варианта: вывести главные силы в море и перехватить там шведов либо всеми возможными средствами преградить им выход из залива до подхода гребных сил, полностью пленить или уничтожить неприятельскую морскую мощь. Адмирал выбрал второй вариант как суливший больший успех меньшей ценой.
Между 7 и 8 часами Чичагов послал корабль «Победоносец» к ставшему на мель шведскому кораблю, в 8.15 дал сигнал арьергарду идти на помощь атакованным кораблям, затем послал к эскадре Повалишина корабль «Царь Константин». Вскоре адмирал поднял сигнал всему арьергарду, обрубив канаты, идти на помощь Повалишину. Однако, когда стало ясно, что шведы все же прорываются, а Мусину-Пушкину пришлось уклониться к западу, чтобы обойти отмели, адмирал приказал арьергарду идти наперерез врагу; в поддержку Повалишину он послал отряд Лежнева. Вслед за тем вице-адмирал А. И. Круз, начальник авангарда, получил приказ вступить под паруса, гнаться за уходящим неприятелем и атаковать его.
Убедившись, что неприятель прошел через заградительные отряды, оставив на мели 5 кораблей и 2 фрегата и потеряв корабль и фрегат, Чичагов с кордебаталией снялся и пошел в погоню, оставив отряд Лежнева и несколько фрегатов для помощи пострадавшим в бою кораблям и захвата стоявших на мели неприятельских судов.
Шведские корабли уходили на юго-запад. За ними тянулась масса гребных судов. Строившиеся в боевую линию корабли Чичагова проходили вблизи шведской гребной флотилии, которая оказалась в полной власти русского флота. Чичагов первоначально приказал уничтожать и захватывать беспомощные гребные суда, однако их оказалось слишком много. При появлении гребных судов Нассау-Зигена адмирал решил оставить ему шведские гребные суда и продолжить преследование корабельного флота.
В начале девятнадцатого часа корабль «Двенадцать апостолов» перестреливался с шедшим впереди шведским контр-адмиральским кораблем; от его выстрелов неприятель лишился бом-лиселя и брам-рея, но сумел оторваться от преследователя. Около 20.00 «Мстислав» догнал этот корабль и вступил с ним в бой. С 20.30 к «Мстиславу» присоединился «Кир-Иоанн»; они сбили бизань-мачту противника. В 21.00 «Мстислав» овладел вражеским кораблем «София Магдалина». В ходе боя на «Мстиславе» и его противнике были сбиты грот-марса-реи. «Кир-Иоанн» и «Двенадцать апостолов» ушли вперед. Видя это, Чичагов дал в начале двадцать второю часа сигнал ближайшим к противнику кораблям атаковать, а «Храброму» идти к захваченному кораблю на помощь «Мстиславу».
В исходе двадцать второго часа «Венус» и «Кир-Иоанн» схватились с неприятельским фрегатом и в 23 часа принудили его спустить флаг; но из-за сумеречности и сильного ветра фрегат отдалился и скрылся ранее, чем на него высадили призовую партию.
Ветер усилился до крепкого, но шведы не убавляли парусов. Преследующий флот все более рассеивался, так что вскоре в распоряжении адмирала, кроме флагманского «Ростислава», оказались лишь корабль «Святая Елена» и фрегат «Венус». Пришлось уменьшить скорость, поджидая отставших, но через два часа Чичагов возобновил погоню.
Из-за разных скоростей кильватерная линия растянулась, наиболее быстроходные корабли вырывались вперед. На рассвете Чичагов мог наблюдать только 10 своих судов, тогда как у неприятеля направлялось к северу еще 21 судно. Несмотря на перевес противника, адмирал продолжил преследование. В 7.00 с одного из русских кораблей несколько раз выстрелили по шведскому кораблю под брейд-вымпелом, но тот уклонился от боя и ушел к флоту. Позднее «Венус» начал обстрел корабля «Ретвизан», и «Изяслав», поставив брамсели, пришел на помощь Кроуну. Вскоре «Ретвизан» сдался и в сопровождении «Венуса» присоединился к русскому флоту.
В 10.30 шведский флот стоял у входа в Свеаборг. При виде приближающегося русского флота шведы стали сниматься с якоря. Чичагов, ожидая возможного боя, приказал кораблям собраться ближе к нему. Однако шведы отвели корабли под батареи, и атака стала невозможна. Собственно говоря, она и не требовалась, ибо шведский флот, уменьшившийся до 14 кораблей и 3 фрегатов, после ряда неудач уже не мог претендовать на успех, и русскому флоту только оставалось блокировать его.
В результате сражения шведы потеряли три корабля и два фрегата погибшими, четыре корабля и два фрегата сдавшимися; кроме того, сдались или погибли в ходе боя многие меньшие парусные и гребные суда, указанные в донесениях русских командиров. Число пленных достигло пяти тысяч, потери убитыми и утонувшими оценивали в 2 тысячи; русский флот, не лишившись ни одного корабля, потерял 53 человека убитыми; среди раненых были 2 капитана и 112 нижних чинов.
24 июня 1790 года Чичагов во всеподданнейшем донесении, отправленном в столицу с сыном Павлом, писал об успехе. Так как находившийся при нем A. C. Шишков проявил досаду, что для сообщения о победе адмирал послал не его, со следующим донесением от 26 июня об успешном бое Кроуна адмирал послал Шишкова. 3 июля В. Я. Чичагов подготовил подробное донесение о ходе и результатах Выборгского сражения; на следующий день с трофейными флагами и донесением адмирал направил в столицу второго сына, подполковника Василия Чичагова. В письме к графу A. A. Безбородко адмирал обращался с единственной просьбой: перевести сына из сухопутного в морское ведомство, гарантируя, что тот будет соответствовать новому званию.
