На первом этапе сражения англичанам удалось отрезать португальский галеон «Сан-Фелипе» от остальных судов армады и окружить его. Другой португальский галеон, «Сан-Матео», попытался помочь ему, но был атакован одной из английских эскадр. К тому моменту, когда Рекальде с несколькими другими кораблями смог прийти им на помощь, оба галеона были буквально изрешечены английскими ядрами и едва держались на плаву: их такелаж и паруса были порваны. Позже англичанам удалось во второй раз отрезать упомянутые галеоны от прочих кораблей. Вместе с ними в окружение попали судно «Нуэстра Сеньора де Бегонья» из состава кастильской эскадры и левантиец «Сан-Хуан де Сисилья». Все они безжалостно расстреливались английской артиллерией и мушкетерами, неся огромные людские потери. Вода через пробоины вливалась в трюмы разбитых кораблей, так что матросы, работавшие на помпах, падали с ног от усталости. Командир «Сан-Фелипе» Франсиско де Толедо, размахивая абордажными крючьями, призывал врага подойти поближе. В ответ ему предлагали сдаться. Кто-то из англичан, укрывшись на грот-марсе, кричал испанцам:

— Вы отличные солдаты! Сдавайтесь на почетных условиях!

Но, как сообщает один из испанских очевидцев, «единственным ответом ему было ядро, которое сразило его на глазах у всех. После этого враги отошли, а наши солдаты кричали им, что они трусы, и грубыми словами упрекали их в отсутствии смелости, призывая вернуться назад и драться…»

Практически все источники говорят о том, что испанские солдаты и офицеры сражались мужественно, с завидной стойкостью. По словам отца Кальдерона, канониры «не отходили от пушек даже для принятия скудной пищи».

Эскадра Хоуарда смогла ввязаться в бой лишь через четыре часа после того, как его начал Дрейк. К этому времени в деле участвовали основные ударные силы обоих флотов. Пользуясь наветренным положением, английские корабли один за другим приближались к судам армады, обрушивали на них залпы бортовых орудий, а затем быстро отходили в сторону, не давая испанцам шансов взять их на абордаж. Описывая один из эпизодов боя, в котором участвовал Дрейк, Убальдини отмечал: «Его каюта была прострелена насквозь два раза; первый раз — это когда двое дворян удалились туда под вечер, желая немного отдохнуть после боя. Один лежал на койке, когда ее разнесло в щепки ядром, выпущенным из фальконета, но сам он при этом не получил даже легкой раны. А когда спустя короткое время граф Нортумберленд, который отправился воевать в качестве добровольца, и сэр Чарлз Блант отдыхали на койке в том же месте, последовал еще один удар ядра, выпущенного из полукулеврины; оно пролетело через каюту от борта до борта, не причинив никакого вреда, кроме того, что одному из них оцарапало ногу и оторвало пальцы…»

Потери англичан в ходе сражения составили от шестидесяти до ста человек, тогда как испанцы потеряли около шестисот человек убитыми и восемьсот ранеными. Такая разница в потерях объяснялась тем, что испанские ядра были плохого качества и часто разваливались на куски в момент выстрела или при ударе в борт вражеского судна; кроме того, значительная часть их пролетала над низкобортными английскими судами, повреждая в лучшем случае такелаж, рангоут и надстройки, тогда как ядра англичан крушили не только надстройки, но и тонкую обшивку испанских кораблей. Борта флагмана «Сан-Мартин» зияли пробоинами в районе ватерлинии. Согласно информации Ванегаса, по нему было выпушено 107 ядер, «что могло бы сразить даже гору». Три пушки были сорваны с лафетов, а кормовая надстройка изувечена. Погибло, по разным данным, от двенадцати до сорока человек, а еще 120 были ранены. Ныряльщики почти не вылезали из воды, затыкая пробоины варом, паклей и свинцовыми пластырями, и молились, чтобы дожить до утра.

В разгар Гравелинской баталии погода неожиданно резко испортилась.