8 сентября Николай I при рекогносцировке обнаружил пункт, с которого было удобно обстреливать крепость. Здесь моряки основали батарею из 4 24-фунтовых пушек.
Вскоре поступили сведения о движении турецких войск из Адрианополя к Варне, чтобы напасть с южной стороны на осаждавших. Ободренные неудачным поиском отряда русских войск, турки 12 сентября вышли из лагеря и при содействии вылазки гарнизона попытались прорвать блокаду, но были отражены. 18 сентября русские полки атаковали неприятельский лагерь, и хотя турки удержали позицию, но наступать более не решались.
21 сентября были взорваны две подземные мины; обрушилась часть стены с бастионом. Так как турки выказали готовность отразить штурм, 22 сентября Николай I вновь приказал предложить капудан-паше капитулировать, но безуспешно. Вскоре взрыв третьей мины разрушил приморский бастион.
23 сентября само турецкое командование предложило переговоры. Граф Дибич, который разговаривал с турками, отказался предоставить тридцатичасовое перемирие. Был отдан приказ готовить приступ. 25 сентября Николай I для уменьшения числа жертв предложил атаковать приморский бастион группой добровольцев. Бастион охотники взяли без сопротивления и продолжили наступление дальше. В ходе решительной атаки группа охотников прорвалась в крепость, не встретив турок, которые выстроились в центре Варны и истребили большинство храбрецов, которых не поддержали главные силы. Император, наблюдавший бой, вновь предложил переговоры, и 25 сентября представитель капудан-паши вел переговоры с Грейгом на «Париже».
26 сентября вновь капудан-паше предложили сдаться. На другой день в окопах Грейг вел переговоры с Юсуф-пашой. 28 августа переговоры продолжались. Боевые действия возобновились. Наконец, турки согласились сдаться, и 29 сентября русские войска заняли крепость без сопротивления.
К вечеру Юсуф-паша согласился на капитуляцию, и 26 сентября четыре тысячи албанцев оставили крепость. Но капудан-паша, укрепившийся с 500 человек в цитадели, отказывался капитулировать. Боевые действия возобновились. После того как внешние укрепления были заняты, большинство гарнизона, насчитывавшего 19 тысяч человек, сдалось. Капудан-паша продолжал упорствовать, угрожая взорвать цитадель, и получил наконец разрешение оставить крепость со своим вооруженным отрядом. На следующий день он выступил. 30 сентября провели молебен, а 1 октября Николай I с Грейгом вступил в завоеванную Варну. Он обратился к Воронцову и Грейгу: «Благодарю вас обоих за покорение столь важной, слывшей неодолимой, крепости Варны; я был свидетелем важного усердия и службы на пользу и славу отечества». Он вручил Грейгу орден Святого Георгия II степени при следующем рескрипте:
«Отличное рвение ваше к пользам Империи и неусыпные труды по устройству Черноморского флота ныне ознаменованы блистательным успехом.
Сей флот, вами сооруженный и управляемый, покорил Анапу, он же особенно содействовал под личным предводительством вашим и к завоеванию Варны, доселе еще не знавшей силы российского оружия. Обращая Монаршее внимание Наше на сии заслуги, Мы всемилостивейше жалуем вас кавалером ордена Святого Великомученика Георгия Победоносца второй степени, коего знаки у сего препровождаем, повелевая вам возложить на себя и носить по установлению. Сие новое доказательство отличного Нашего к вам благоволения и признательности, да усугубит еще примерное ваше усердие и желание оправдать новым подвигом Монаршую к вам доверенность».
За время осады флот выпустил 25 тысяч снарядов. В значительной мере огнем корабельной и осадной артиллерии, которой управляли моряки, можно объяснить, что гарнизон с 27 тысяч уменьшился до 9 тысяч человек. Кроме 3 тысяч албанцев Юсуф-паши, в плен попали 6 тысяч человек. Были взяты 291 орудие и другие трофеи. Флот взял 21 трофей и 2 вооруженных баркаса, за успешные действия Император пожаловал Севастополю и Николаеву по трофейной пушке.
Уже 30 сентября Грейг приказал вернуть на корабли моряков и материалы, использованные при осаде. 6 октября эскадра оставила Варну и 12 октября пришла в Севастополь на зимовку. Однако покой продлился недолго. Император приказал подготовить флот к марту 1829 года, а зимой содержать эскадру в море для охраны судоходства, содействовать армии в охране областей на правом берегу Дуная и блокировать Босфор. Грейг срочно выехал в Николаев, назначив Мессера наблюдать за ремонтом флота, а контр-адмиралов Быченского, Стожевского и Сальти — готовить свои отряды.
Прибыв в Николаев, Грейг обнаружил, что оставленное им присутствие не выполнило свои задачи, и направил вице-адмирала Быченского командовать Севастопольским портом. Сам он активно занялся снабжением флота материалами. Он докладывал Николаю I, что к 1 марта флот подготовить невозможно, но так как это время самой бурной погоды, то вряд ли турки появятся на Черном море. За зиму транспорт «Успех» перестроили в бомбардирское судно, два трофейных судна — в брандеры, корабль «Скорый» переоборудовали в госпитальный. Для кораблей были заготовлены дополнительные пушки, чтобы из них сооружать батареи на берегу.
Уже осенью 1828 года началось крейсерство. 6 ноября эскадра контр-адмирала М. Н. Кумани вышла на рейд и 11 ноября выступила для блокады турецких берегов. Местом встречи назначили Варну и Каварну. Если бы суда ветром отнесло к Босфору, то следовало под парусами прорываться через проливы на соединение с эскадрой Рикорда, крейсировавшей у Дарданелл.
Прибыв в Варну, Кумани получил предложение генерала Ротта появиться в Фаросском заливе, чтобы отвлечь внимание неприятеля от сухопутного фронта. 28 ноября русская эскадра подошла к Месемврии, 30 ноября вошла в залив и овладела островом Анастасия, срыв на нем укрепления. Осмотрев прибрежные города Месемврию, Ахиоло, Бургас и Сизополь, Кумани 7 декабря, вернувшись в Варну, предложил овладеть Сизополем. Мысль его была одобрена Роттом и Грейгом.
17 января 1829 года на смену первой эскадре прибыли корабли контр-адмирала Стожевского. Однако Кумани не вернулся в Севастополь. 22 января его суда укрылись от непогоды в Варне. Тем временем пришло разрешение Кумани, если он возьмет на себя его удержание, взять Сизополь… Контр-адмирал собрал совет, который признал, что занятый порт удержать вполне возможно, так же как и разрушить Бургас и Месемврию. Кумани просил лишь у Ротта три канонерские лодки, несколько зафрахтованных судов. 11 февраля его эскадра из трех кораблей, двух фрегатов, трех канонерских лодок и двух судов вышла из Варны и 15 февраля вступила на рейд Сизополя. Халил-паша отверг предложение о сдаче, но после обстрела береговые батареи были взяты, а следующим утром высаженный десант овладел крепостью и захватил пашу со свитой, ибо большинство гарнизона бежало. Немедленно моряки усилили укрепления орудиями с кораблей, полторы тысячи человек перебросили из Варны, и когда 28 февраля турки попытались вернуть крепость, их отбили сухопутные войска при поддержке артиллерии кораблей. Попытка овладеть и Ахиоло не удалась из-за мелководья.
Занятие Сизополя дало российским войскам важный опорный пункт при наступлении на Константинополь. Все чины эскадры получили награды, а Кумани удостоили ордена Святой Анны и 10 тысяч рублей.
В январе была намечена атака Синопа для отвлечения внимания турок от Требизонда (Трапезунда), и Грейг обратился за высочайшим разрешением. Однако граф Чернышев, сменивший Дибича, которого назначили главнокомандующим, сообщил, что Император согласен лишь с учетом того, что выход турецкого флота может в любой момент потребовать сосредоточения флота у западных берегов или, по крайней мере, усиления Кумани.
Николай I считал, что на флоте для высадок нужна целая бригада. Позднее он указал в качестве основной задачи истребление неприятельского флота, если тот выйдет в Черное море. Грейгу было рекомендовано распределить основные усилия от Варны до Босфора. Император при необходимости разрешал флоту двигаться и далее, оставив суда для связи у болгарских берегов. Это было важно, так как второй этап действий флота начинался позднее, с приближением русских войск к Балканам.
Дибич со своей стороны предлагал флоту занять пункт в Фаросском заливе, сделать демонстрацию к Босфору, разрушить Килию или Риву, предпринять экспедицию на Инаду или Самоково, вновь явиться к Константинополю и после отвлечения внимания турок к середине июня выслать корабли для принятия десанта. В ответ главный командир объявил, что Сизополь уже взят, что поиск на Риву или Инаду в трех милях от Босфора при сильном течении опасен, что Самоково от моря в 30 верстах и лучше всего для отвлечения внимания противника от Шумлы и Балкан — занять Инаду в 30 милях от пролива.
В конце марта Император указал поторопиться с выводом флота. 2 апреля Грейг назначил контр-адмирала Снаксарева председателем общего присутствия в Николаеве, а командиром Севастопольского порта контр-адмирала Сальти. Сам он прибыл 5 апреля в Севастополь. Адмирал поднял флаг на «Париже», который по императорскому указу укомплектовали чинами гвардейского экипажа. Когда контр-адмирал Кумани сообщил в конце марта о скором выходе турецкого флота, Грейг поспешил со снаряжением главных сил. 12 апреля он вышел в море, 19 апреля прибыл в Сизополь и принял командование флотом и войсками. При известии о выходе двух кораблей и брига из Босфора флагман послал отряд капитана 1-го ранга Скаловского из двух кораблей и двух бригов к проливу.
