Σαν σήμερα, το πρωί της 5ης Ιανουαρίου του 1913 με επικεφαλής τον ναύαρχο Κουντουριώτη, που επέβαινε στο θωρηκτό «Αβέρωφ», ο Ελληνικός στόλος αποτελούμενος από 1 καταδρομικό, 3 θωρηκτά και 7 αντιτορπιλικά, εξέρχεται του Μούδρου για να αντιμετωπίσει τον τουρκικό στόλο, που είχε ως επικεφαλής τον Ταχίρ Μπέη, που βρισκόταν πάνω στην ναυαρχίδα του τουρκικού στόλου το «Χαϊρεδδίν Βαρβαρόσσα».
Οι τούρκοι αποδεικνύουν ότι δεν λάβαν το μάθημα τους από την Ναυμαχία της Έλλης που είχε συμβεί στις 3 Δεκεμβρίου του 1912 και επιχειρούν για άλλη μία φορά αναγνωριστική αποστολή της προ των Δαρδανελλίων θαλασσας. Γίνονται εγκαίρως αντιληπτοί από το ανιχνευτικό πλοίο Λέων, το οποίο δίνει το σήμα στο Ελληνικό επιτελείο. Το πρωίνό της 5ης Ιανουαρίου του 1913 θα τους δινόταν το «επαναληπτικό» μάθημα.
Στις 9:45 το πρωί ο Ελληνικός Στόλος εξέρχεται του Μούδρου και έχει σε απόσταση 15 ναυτικών μιλίων τους τούρκους. Το μήνυμα του Έλληνα ναυάρχου προς τα πληρώματα του στόλου, ενδεικτικός του ηθικού των Ελλήνων: «Ο ναύαρχος εύχεται την καλήν ημέραν εις τα γενναία επιτελεία και τα πληρώματα». Μετά από δύο ώρες ναυτικών και στρατηγικών χειρισμών οι δύο στόλοι βρίσκονται σε απόσταση βολής. Στις 11:35 ο τουρκικός στόλος αρχίζει να βάλει με τα πυροβόλα του, για να εισπράξει την άμεση απάντηση των Ελλήνων.
Μόλις 20 λεπτά μετά η σημαία της τουρκικής ναυαρχίδας έχει ήδη καταστραφεί, έχει ήδη πάρει φωτιά, ενώ το «Μεσουδιέ» εξέρχεται της τουρκικής γραμμής με καπνούς πυρκαϊάς. Οι τούρκοι αμέσως τρέπονται σε φυγή, ώστε να κρυφτούν στα Δαρδανέλλια. Ο Ελληνικός στόλος τους καταδιώκει αδιάκοπα και στην διάρκεια της καταδίωξης πλήττει καίρια το τουρκικό θωρηκτό «Τουργούτ», το οποίο αρχίζει να γέρνει. Οι τούρκοι κρύβονται εν τέλει στα Δαρδενέλλια μετρώντας πολλούς νεκρούς και ανυπολόγιστες υλικές ζημιές. Αντιθέτως οι Έλληνες έχουν μόνο έναν τραυματία.
Το αποτέλεσμα της Ναυμαχίας της Λήμνου ήταν να καταστεί το Αιγαίο κλειστή Ελληνική λίμνη, αφού οι τούρκοι δεν αποτόλμησαν ξανά να εξέλθουν των Δαρδανελλίων για τα επόμενα δύο χρόνια.