Неудачи на суше и сведения о появлении крупного турецкого флота побудили русское командование оставить занятый Наварин. Орлов решил найти и истребить неприятельский флот, чтобы блокировать Дарданеллы. 23 июня Грейг, посланный в разведку, обнаружил неприятеля. Турецкая эскадра состояла из 16 линейных кораблей, 6 фрегатов, 60 меньших и вспомогательных судов, которые алжирский моряк Гассан Гази?бей построил в Хиосском проливе двумя линиями, примкнув левым флангом к островку, а правым — к отмели у Чесмы. Русские располагали только 9 линейными и 1 бомбардирским кораблями, не считая более мелких судов. Против 300 русских пушек одного борта турки имели 700. Несмотря на превосходство противника, А.Г. Орлов решил атаковать. Он собрал на флагманском корабле Спиридова, Эльфинстона и Грейга от моряков и Долгорукова с Ф. Орловым от гвардии; решение их вылилось в диспозицию, подготовленную С.К. Грейгом. Корабли должны были двигаться кильватерной колонной с дистанцией не более 90 метров, сближаться с противником до пистолетного выстрела и проходить вдоль турецкой линии, стреляя в нее из орудий.
Утром 24 июня при легком ветре эскадра выстроилась в боевую линию и пошла на противника. Корабль Грейга с графом Орловым располагался в центре. Он встал на якорь вблизи неприятеля и открыл огонь по 100?пушечному кораблю капудан?паши из орудий, ружей и даже пистолетов. Под сокрушительным огнем турки в панике хотели бежать и обрубили якорный канат, но забыли шпринг, и флагман «Три Иерарха» расстреливал четверть часа продольным огнем развернувшийся кормой турецкий корабль.
«Евстафий» в жестоком бою зажег и взял на абордаж неприятельский флагман «Реал?Мустафа», но взорвался от головни, попавшей в крюйт?камеру; за ним взлетел на воздух и «Реал?Мустафа». Горящие обломки осыпали соседние корабли. Немало усилий пришлось приложить Грейгу, чтобы спасти флагманский корабль от пламени. Посланные с «Трех Иерархов» шлюпки поднимали из воды моряков, уцелевших после гибели «Евстафия».
Вскоре после двух взрывов турецкие корабли, обрубив якорные канаты, под парусами устремились в Чесменскую бухту и сгрудились в ее глубине. Военный совет флагманов и командиров принял решение уничтожить турецкий флот с помощью брандеров и артиллерии. В брандеры переоборудовали четыре греческих торговых судна. Командовать операцией предстояло контр?адмиралу С.К. Грейгу. В его распоряжение передали, кроме брандеров, корабли «Ростислав», «Европа», «Не Тронь меня», «Саратов», фрегаты «Надежда благополучия», «Африка» и бомбардирский корабль «Гром», которым следовало довершить разгром пылающего неприятельского флота.
После полуночи русские корабли начали обстрел и подожгли один из неприятельских кораблей. Теперь и речи не могло быть о внезапности. Однако именно после первого пожара на турецком корабле Грейг приказал брандерам идти в атаку на вражеский флот. Видимо, контр?адмирал намеревался все же полностью выполнить принятый план; кроме того, не исключено, что он хотел уменьшить таким образом расход снарядов, запас которых можно было пополнять лишь из далекой России.
Атака брандеров началась успешно, ибо турки решили, что идущие к ним суда сдаются, и прекратили огонь. Вскоре они опомнились и выслали шлюпки, которые атаковали брандер Дугдаля и заставили его экипаж спасаться вплавь. Брандер Макензи сцепился с уже горевшим кораблем. Лишь лейтенанту Дмитрию Ильину удалось создать новый очаг пожара, а Гагарину с его брандером целей в полыхающей бухте уже не нашлось. Из пламени удалось вывести только корабль «Родос» и 6 галер. С остальными к утру было покончено. Из 15000 турок спаслось не более 4000, которые на берегу вызвали панику и общее бегство жителей.
Грейга за участие в истреблении турецкого флота при Чесме наградили орденом Святого Георгия 2?й степени, что давало ему звание дворянина. Позднее он участвовал в осаде крепости на острове Лемнос, затем в занятии острова Парос, который стал основной базой архипелагских экспедиций. Весной 1771 года, когда А. Орлов ездил в Санкт?Петербург, Грейг оставался в Ливорно, выполняя его поручения, и вместе с графом вернулся на флот. В начале августа экспедиция русского флота под флагом Орлова ходила к Негропонту (Эвбея) и запаслась пшеницей. Грейг снимал планы крепостей Дарданелл, участвовал в нападении на остров Митилена, завершившемся истреблением верфи, кораблей и судостроительных запасов. 24 октября 1772 года, командуя отрядом судов, Грейг произвел успешную высадку десанта в Хиосском проливе у крепости Чесма, где сжег предместье с магазинами.