Российский Черноморский корабельный флот насчитывал 10 линейных кораблей (включая один 80-пушечный и четыре 66-пушечных), 6 фрегатов (всего на кораблях и фрегатах — 836 орудий), одно репетичное судно, 13 крейсерских судов и два брандера. Пройдя вдоль берегов Крыма до Тамани, Ушаков утром 8 июля, направив крейсерские суда в дозор, встал с флотом на якорь у Керченского пролива.

Вскоре после 9 ч 30 мин крейсерское судно, державшееся в стороне Анапы, сигналом донесло о появлении противника.

Через полчаса на мглистом горизонте показался турецкий флот в составе 10 линейных кораблей (в том числе четыре флагманских), 8 фрегатов и 36 судов других классов, включая бомбардирские корабли, шебеки, бригантины, лансоны и кирлангичи. Всего на линейных кораблях и фрегатах имелось до 1100 пушек. Таким образом, турецкий флот имел некоторое превосходство в количестве кораблей в линии баталии и явное превосходство в количестве пушек.

Ушаков решил принять бой под парусами, снялся с флотом с якоря и построил линию баталии из 16 кораблей и фрегатов, имея в авангарде капитана бригадирского ранга Г.К. Голенкина на 66-пушечном корабле «Мария Магдалина». 

1. 50-пушечный корабль «Св. Георгий Победоносец» (капитан 2 ранга Ф.В. Поскочин).

2. 40-пушечный фрегат «Иоанн Воинственник» (капитан 2 ранга А. Г. Баранов).

3. 66-пушечный корабль «Мария Магдалина» (капитан бригадирского ранга Г.К. Голенкин, командующий авангардией).

4. 45-пушечный корабль «Иоанн Богослов» (капитан 1 ранга Н.П. Кумани).

5. 40-пушечный фрегат «Св. Иероним» (капитан 2 ранга А.П. Алексиано).

6. 66-пушечный корабль «Преображение» (капитан 2 ранга Я.Н. Саблин).

7. 40-пушечный фрегат «Покров Богородицы» (капитан 2 ранга И.И. Ознобишин).

8. 80-пушечный корабль «Рождество Христово» (капитан 2 ранга М.И. Ельчанинов, флаг контр-адмирала Ф.Ф. Ушакова, командующего флотом и кордебаталией).

9. 50-пушечный корабль «Св. Александр Невский» (капитан 2 ранга Н.Л. Языков).

10. 40-пушечный фрегат «Амвросий Медиоланский» (капитан

2 ранга М.Н. Нелединский). 11.66-пушечный корабль «Св. Владимир» (капитан 2 ранга А.А. Обольянинов). 

12. 40-пушечный фрегат «Кирилл Белозерский» (капитан 2 ранга Е.П. Сарандинаки).

13. 46-пушечный корабль «Петр Апостол» (капитан 2 ранга Ф.Я. Заостровский).

14. 66-пушечный корабль «Св. Павел» (капитан 1 ранга К.А. Шапилов).

15. 40-пушечный фрегат «Нестор Преподобный» (капитан лейтенант Ф.В. Шишмарев).

16. 50-пушечный корабль «Св. Андрей Первозванный» (капитан 1 ранга Р. Вильсон).

Всего 10 кораблей (596 орудий фактически) и 6 фрегатов (240 орудий), численность экипажей более 6500 человек. 

— репетичное судно «Полоцк»;

— бригантины — «Феникс», «Климент — Папа Римский»;

— крейсерские суда разных типов: «Абельташ», «Панагия Дусено», «Карл Константин», «Принцесса Елена», «Панагия Апотоменганы», «Св. Николай», «Св. Александр», «Слава Св. Георгия», «Красноселье», «Панагия Попанди», «Панагия Турляни»;

— брандеры «№ 1» и «№ 3». Итого: 32 судна.

Пользуясь превосходством в силах и наветренным положением, Хюсейн-паша с десятью линейными кораблями атаковал российский флот, направив главный удар на его авангард. Маневр турецких линейных кораблей прикрывался бомбардирскими судами, стрелявшими из тяжелых мортир с дальней дистанции. Турецкие фрегаты и крейсерские суда держались за линией баталии. Около полудня линейные корабли Хюсейна открыли огонь, русские ответили по сигналу Ушакова «Вступить в бой с неприятелем».

Авангард бригадира Голенкина, следуя передовому 50-пушечному кораблю «Святой Георгий Победоносец», «усиливающееся нападение неприятеля выдерживал с отличной храбростью и жестокостью огня приводил его в замешательство и растройку, так что оный пальбу свою весьма уменьшил; капитан-паша, беспрестанно усиливая атаку свою, подкреплял прибавлением кораблей и многими разными судами с большими орудиями».

С целью нейтрализации усилий противника Ф.Ф. Ушаков сигналом вывел из линии баталии шесть сравнительно слабых 40-пушечных фрегатов, образовав из них под ветром «корпус резерва», для подкрепления авангарда. Одновременно он приказал сомкнуть линию, т. е. противопоставил турецкой атаке сильнейшие корабли, и сам с кордебаталией, «прибавя парусов», поспешил на помощь своему авангарду.

Около 15 ч некоторая перемена ветра позволила российским кораблям сблизиться с противником на дистанцию картечного выстрела (менее 100 м), при этом сам Ушаков на 80-пушечном корабле «Рождество Христово» атаковал флагманский корабль капудан-паши. Фрегаты «корпуса резерва», следуя 40-пушечно-му «Иоанну Воинственнику» под командованием капитана 2-го ранга А. Г. Баранова, продвинулись вперед и поддержали авангард своей линии баталии.

В 16 ч, когда головные русские корабли, приводя круче к ветру, поставили авангард противника в опасное положение, турецкий флот, вслед за кораблем Хюсейна-паши, устремился выйти из боя и в беспорядке повернул почти на обратный курс, разойдясь контр-галсами с российской линией баталии. При этом некоторые турецкие корабли, включая флагманский корабль Хюсейна и вице-адмиральский, при повороте сблизились с кордебаталией российского флота и попали под жестокий огонь с «Преображения Господня» и «Рождества Христова». На одном турецком корабле была сбита бизань-мачта, на вице-адмиральском упали сбитые фор-марсель и крюйсель. Один турецкий кирлангич, державшийся среди линейных кораблей, был потоплен. При этом многие турецкие корабли потеряли сбитые ядрами и упавшие в воду флаги. Один из них был подобран шлюпками с корабля «Святой Георгий Победоносец» и взят в качестве трофея.

Ф.Ф. Ушаков, выйдя на ветер, на своем флагманском корабле повернул на правый галс для преследования противника, приказав авангарду повернуть оверштаг, а прочим кораблям, не соблюдая порядковых номеров в линии баталии, вступить в кильватер кораблю «Рождество Христово». Таким образом, командующий российским флотом быстро выстроил линию баталии на ветре у отступающего в замешательстве турецкого флота, собираясь «со всеми силами ударить на неприятеля».

«Легкость ходу» турецких кораблей и наступившая вскоре после 20 ч темнота позволили Хюсейн-паше избежать нового столкновения и спастись бегством от возможного разгрома. Ночью Ф.Ф. Ушаков, продолжая погоню, приказал зажечь огни и придерживаться вероятного курса отступления противника. Но последний утром обнаружен не был, и Черноморский корабельный флот направился в Феодосийскую бухту для исправления повреждений в рангоуте и такелаже, которые, по мнению командующего, препятствовали дальнейшему походу и поискам неприятельского флота у берегов Турции. Вечером 12июняфлот Ушакова вернулся на Севастопольский рейд.

В результате сражения турецкий десант в Крым был сорван, многие турецкие линейные корабли получили повреждения и, очевидно, понесли значительные потери в личном составе, которые, впрочем, точно не известны.

В пятичасовом сражении российские линейные корабли выпустили около 21 000 снарядов (по 70 на каждую пушку одного борта). Из полученных ими повреждений наиболее серьезными были простреленные ядрами грот-мачты на кораблях «Рождество Христово», «Святой Павел» и «Иоанн Богослов», а также фок-мачта на «Святом Андрее Первозванном». Потери в людях составляли 29 убитых (в том числе мичман Б. Антонович и морской артиллерист лейтенант П. Галкин) и 68 раненых, включая 4 офицеров.

Согласно рапорту Ф.Ф. Ушакова, «все командующие судов и разные чины флота Черноморского… с крайним рвением и отличной храбростью выполнили долг свой…» Особо командующий отметил храбрость и искусство бригадира Г. К. Голенкина, капитанов 1-го ранга К.А. Шапилова («Святой Павел»), Р. Вильсона («Святой Андрей»), Н.П. Кумани («Иоанн Богослов»), капитанов 2-го ранга Я.Н. Саблина («Преображение Господне»), Ф.Я. Заостровского («Петр Апостол»), Н.Л. Языкова («Святой Александр Невский»), М.М. Ельчанинова («Рождество Христово») и Ф.В. Поскочина («Святой Георгий»), а также своего флаг-капитана капитана 2-го ранга П.А. Данилова и полковника Старооскольского полка Н. Чиркова.

Победу в Керченском сражении высоко оценил генерал-фельдмаршал ГА. Потемкин и императрица Екатерина II, которая

5 августа 1790 года, после получения известия о мире со Швецией, писала на юг главнокомандующему: «Победу Черноморского флота над турецким мы праздновали вчерась молебствием в городе у Казанской, и я была так весела как давно не помню. Контр-адмиралу Ушакову великое спасибо прошу от меня сказать и всем его подчиненным».

Тактика Хюсейн-паши в сражении 8 июля 1790 года во многом напоминала тактику его предшественника — знаменитого Хасана: атака авангарда противника из наветренного положения сомкнутой колонной линейных кораблей, применение бомбардирских судов, стрельба по рангоуту и парусам. В то же время турецкие моряки проигрывали российским в бою на близкой дистанции, а с отступлением флагмана обращались в бегство.

Для тактики Ф.Ф. Ушакова в Керченском сражении характерно стремление к решительному бою и перехвату инициативы даже в подветренном положении. В отличие от М.Н. Войновича при Фидониси, Ф.Ф. Ушаков не остался наблюдателем поединка авангардов, а противопоставил маневру противника свой маневр: сократил линию баталии (сосредоточение сил), выделил резерв из фрегатов для поддержки передовых кораблей (взаимная поддержка) и сам атаковал флагманский корабль Хюсейн-паши. Выход в голову строя и построение линии баталии без соблюдения порядковых номеров кораблей (по способности — кратчайшими курсами) позволили командующему российским флотом не только сохранить выигранное у противника наветренное положение, но и самому задать направление преследования, организованного в весьма короткие сроки. Однако в этом случае само сохранение линии баталии, где скорость уравнивалась по худшим ходокам, не позволило догнать даже арьергард отступавшего в беспорядке противника. В следующем сражении — у острова Тендра — Ф.Ф. Ушаков учел это обстоятельство и изменил тактику преследования.