Во время сражения ветер менялся, что заставило перейти к строю пеленга. Шведы, оказавшись под ветром, не стремились атаковать и ограничивались обороной. Круз продолжал наступать. Особенно активно действовал авангард, все более сближавшийся с неприятелем. В восьмом часу с подходом русского арьергарда сражение приняло особенно острый характер. В это время главнокомандующий поднял сигнал кораблям «Святой Николай» и «Принц Густав» подойти ближе к его флагману, против которого сражались 3 шведских корабля, в том числе генерал-адмиральский. На русском флагмане была сбита грот-брам-стеньга. В то же время 3 корабля контр-адмирала Повалишина отстали от боевой линии и оказались под ветром. Лейтенант Клинт, заметив это, предложил отцу с несколькими задними мателотами повернуть и отрезать эти корабли. Но пока полковник Клинт запрашивал разрешение герцога, благоприятный момент был упущен. Повалишин, безуспешно пытаясь повернуть на другой галс, спустил шлюпки, которые отбуксировали его арьергард за линию ветра, причем кормовые орудия корабля «Густав III» потопили 2 гребных судна. Возможность прорезать линию была шведами упущена. Одновременно 2 корабля и 3 фрегата пытались охватить и поставить в два огня русский авангард. Один из фрегатов уже поворачивал, но Денисон, оценив обстановку и располагая наветренным положением, повел 5 парусных и гребных фрегатов, отогнавших шведов. После этого шведский авангард спустился к ветру. В исходе восьмого часа за ним последовал весь флот, и за увеличением дистанции бой прервался. В бою шведы потеряли 84 человека убитыми, в том числе одного командира корабля, и 280 ранеными; два корабля получили такие повреждения, что вынуждены были покинуть боевую линию.
Круз пытался преследовать отошедшего противника. В начале девятого часа он сделал сигнал построить линию не по учреждению (то есть не по указанному перед боем порядку), а по способности, что сокращало время перестроения; но стихший около 10.00 ветер не позволил продолжить атаку.
Оба флота оказались почти неподвижными вблизи острова Биорке. Этим удобным моментом воспользовался Густав III и выслал в поддержку своему заштилевшему флоту отряд гребных судов, которые подошли к месту боя около 11.00. Они пытались атаковать, но встретили отпор.
После того как Денисон отбил попытку шведов отрезать часть линии, он получил приказ двигаться на фланг строя, что и выполнил. В результате его отряд оказался на северной оконечности русской линии, ближе всего к Березовым островам. Заметив появление из Березового зунда двух десятков шведских судов, Денисон выслал навстречу на веслах 2 гребных фрегата; шведы выдвинули свои фрегаты, но после перестрелки шведская флотилия вернулась в пролив.
В данном эпизоде свою роль сыграл постепенно усиливавшийся прозападный ветер, который затруднил действия гребных судов. Но тот же ветер оживил парусники и позволил продолжить сражение.
После полудня ветер усилился, и шведы, получив выгодное наветренное положение, лавировали к югу и выстраивали боевую линию параллельно русской, сближаясь на пистолетный выстрел. А. И. Круз, в исходе одиннадцатого часа заметивший движение противника, приказал поднять сигнал эскадре приготовиться к бою, в исходе двенадцатого часа — повернуть на правый галс. Эскадра выходила из-за восточной оконечности Грековой банки в семи-восьми километрах южнее острова Биорке. Шведскую боевую линию составляли только 22 линейных корабля, а 14 меньших оставались вне строя. Видимо, герцог Карл решил, что более короткая линия однотипных кораблей удобнее для маневрирования, а фрегаты рационально использовать как подвижной резерв. Шведский генерал-адмирал, побывав в период затишья на флагманском корабле, разрешил полковнику Клинту самостоятельно подавать сигналы кораблям флота в случае необходимости срочного маневра.
Противники сближались с арьергардами впереди. Оба флота шли на юг в полном боевом порядке. В половине первого часа дня русская эскадра оказалась в виду мысов Долгий Нос и Карей Нос. Вновь колонна расстраивалась при лавировании, и в исходе первого часа А. И. Круз приказал упавшим под ветер кораблям войти в линию.
Пользуясь попутным ветром, шведы приближались и в начале второго часа завязали бой с авангардом, а затем и со всей русской эскадрой. В то же время А. И. Круз отправил лейтенанта Прингла Стоддарда с донесением; тот в 19.30 прибыл к Кронштадту, а 24 мая добрался до столицы. Он привез двору сведения о том, что бой продолжался до вечера.
Тем временем второй этап сражения разгорался. Круз неоднократно поднимал сигналы, упорядочивая линию; он требовал от капитанов занять свои места, прибавить парусов, сомкнуть линию. Но шведы уклонялись от боя. К 15 часам дистанция настолько возросла, что ядра не достигали цели, и главнокомандующий приказал прекратить бой. В 15.30 он поднял сигнал прибавить парусов и сомкнуть линию. Вице-адмирал, похоже, стремился увлечь шведов в глубину залива, изобилующего мелями. Но шведская эскадра на это не решилась; после 15.30 авангард стоял на якоре, а кордебаталия, повернув на левый галс, удалялась по ветру. Перестрелка арьергардов продолжалась. Шведы пытались спуститься на русскую эскадру, произошла перестрелка русского авангарда с ближайшими шведскими кораблями, оказавшимися с подветренной стороны своего флота. Русская эскадра, двигавшаяся контргалсом, продолжала вести бой, пока шведский флот не прошел мимо. Огонь прекратился, а в двадцатом часу по сигналу Круза эскадра легла в дрейф.
Флоты разошлись. Около 20.00 ветер стих, и герцог Карл ввиду истощения запаса снарядов и опасения, что эскадра Чичагова появится в тылу, занял выжидательное положение. Но прибывший вечером капитан Смит доставил приказ короля немедленно возобновить атаку, а Смиту поручалось помочь Норденшельду советами. Так как из Ревеля прибыло сообщение, что русские корабли еще стоят на внешнем рейде, шведское командование послало 2 судна для извещения о появлении фрегата «Яррамас», наблюдавшего за Ревельской эскадрой. На получивших повреждения кораблях шведы готовились к бою.
Сведения, которые имел Круз от командиров кораблей и флагманов, не утешали. Эскадра потеряла 89 человек убитыми и 217 ранеными. Вице-адмирал Сухотин лишился ноги. Потери все же были не очень велики. Хуже было то, что непригодными для усиленной стрельбы оказались многие пушки липецкого завода. Корабли оставляли линию не столько из-за робости или неумения моряков, сколько из-за необходимости справляться с неожиданными повреждениями орудий. На кораблях «Америка» и «Сысой Великий» взорвавшаяся в нижнем деке пушка разрушила часть палубы, на корабле «Князь Константин» у 11 пушек треснули дульные части, на «Святом Николае» треснули 7, на «Не тронь меня» — одна пушка; при взрыве пушек погибло 5 и получили ранения 29 моряков.
Флагманский корабль А. И. Круза был в самой гуще боя. Вице-адмирал в одном камзоле и с орденской лентой курил трубку; плечо его было залито кровью убитого на юте матроса. Когда стало известно о ранении Сухотина, Круз на шлюпке под выстрелами направился к нему, а затем на виду неприятеля обходил корабли своего флота. Первоначально он предполагал атаковать 24 мая. Однако сведения о повреждениях заставили отказаться от этой мысли. В донесении Императрице, отправленном в 2 часа 24 мая с сыном, вице-адмирал обещал держаться в виду неприятельского флота, пока не подойдет эскадра Чичагова. В это время российская эскадра была уже в семи с половиной верстах от Кронштадта.
В полночь установился тихий ветер. Но Круз из-за повреждения кораблей не мог воспользоваться наветренным положением и атаковать превосходящего неприятеля. Также и шведы не могли напасть на русский флот, находившийся в четырех-шести милях; оба флота много маневрировали из-за узких фарватеров. Однако, уже отправляя донесение, Круз заметил, как около 2.00 шведские корабли поставили все паруса и стали удаляться, что вице-адмирал вполне справедливо приписал появлению Чичагова. В третьем часу неприятельский флот был виден вдали по курсу WNW, и главнокомандующий сделал сигнал построиться в линию баталии по способности. Одновременно продолжался ремонт повреждений. К 8.00 на корабле «Чесма» заменили крюйс и крюйс-брамстеньги. Поврежденный корабль «Иоанн Богослов» и катер «Гагара» ушли в Кронштадт. Боевая линия уменьшилась до 16 кораблей против 22 неприятельских. Однако Круз готовился к бою, ибо с появлением Чичагова вступал в действие план совместных действий двух адмиралов. По сигналу вице-адмирала к 10 часам эскадра строила линию баталии. В одиннадцатом часу главнокомандующий созвал всех капитанов. Сидя в кресле, он выслушал сообщения о состоянии кораблей, потерях и нехватке пороха и приказал: «Покуда я не спущусь, не спускаться никому, и если нет пороху, не палить, но стоять и не выходить из линии». Круз делал все, чтобы не допустить врага к столице.
