为了躲避英国舰队的攻击，西班牙军舰开始仓皇撤离危险区。8月8日英国舰队在格拉夫林子午线上追及西班牙的50艘军舰，挟其优势兵力对之进行攻击。西班牙的其余军舰约在6海里之外，没有参加战斗。英国军舰机动性能好，其火炮射程比敌舰的更大，他们与敌保持在有利于自己的距离上战斗。西班牙人则力图靠近英舰，以期进行接舷战，但英国人灵活机动，不断进行炮击，使西班牙军舰遭受严重损失。
到18时，战斗结束。西班牙有16艘军舰被击沉，英国虽有很多军舰受伤，但无重大损失。夜间，无敌舰队的兵力集中在一起。梅迪纳——西多尼决定，从北面绕过不列颠群岛返回西班牙。
8月9日晨，西班牙军舰向北移动。英国舰队由于大多数军舰受伤和缺乏弹药，无法进行追击。西班牙舰队在奥克尼群岛附近被风暴吹散，许多军舰在苏格兰和爱尔兰西岸附近遇难。只有63艘幸存的军舰回到西班牙。
当时西班牙人死抱着过时的接舷战术，不重视火炮在海战中的作用；西班牙的大多数军舰的战斗性能、航海性能和机动性能均不及英国军舰；舰员中3／4由陆军战士组成，海上素养和战斗素养很差；舰队司令没有指挥舰队作战的经验。西班牙舰队在格拉夫林海战中的失败严重地削弱了西班牙的海上威力，以后西班牙不得不放弃在英国沿岸进行登陆的念头。