Важнейшей целью на пути к Константинополю избрали Варну, ибо взять крепость мог помочь флот. Крейсировавшая в районе мыса Калиакра — Созопола эскадра вице‑адмирала Мессера в мае—июле не допускала переброски неприятелем подкреплений к Варне — сильной крепости с гарнизоном в 12000 человек. Попытка 4‑тысячного отряда начать осадные работы с суши 1 июля были отражены обороняющимися. Но 21 июля эскадра Грейга доставила в Каварну 10‑тысячный отряд вице‑адмирала А.С. Меншикова; эти войска на следующий день взяли Варну в осаду. 26 июля 22 русских гребных судна истребили 14 турецких, прикрывавших крепость с моря, что позволило русским кораблям с 26 июля по 29 сентября обстреливать крепость, в которую из‑за слабости блокирующих сил турки смогли провести с юга 12000 подкрепления. 7 августа крепость обстреляли главные силы флота; из‑за мелководия корабли стреляли по одному с дистанции пять кабельтов; тем не менее удалось подавить огонь приморского бастиона. 28 августа, после прибытия гвардейского корпуса, осада стала более тесной, войска успешно отражали попытки деблокировать крепость изнутри и извне. 25 сентября начался штурм Варны, причем основной удар нанесли по приморскому бастиону. Турки выдержали штурм, однако 29 сентября капитулировали, лишившись надежды на помощь.

20 июля 1828 года за взятие Анапы Грейга произвели в адмиралы, за взятие Варны — наградили орденом Святого Георгия 2‑й степени. В следующем году русские моряки овладели цепью крепостей на берегу Болгарии (Месемврия, Ахиолло, Инада, Мидия, Сан‑Стефано, Бургас, Созопол), блокировали Босфор.

Успех флота в немалой степени способствовал заключению выгодного для России Адрианопольского договора.

После войны Грейг продолжал преобразования. В 1829—1830 годах были введены в строй в Николаеве мортонов эллинг, эллинг для кораблей и эллинг для фрегатов, открыто уездное училище. Однако с 1830 года адмиралу пришлось отбиваться от нападок клеветников, что снизило его энтузиазм. Назначенный председателем Комитета по улучшению флота при Главном морском штабе, Грейг руководил его заседаниями в Санкт‑Петербурге с 24 октября 1830 по 23 мая 1831 года. Он оставался еще главным командиром Черноморского флота, но фактически руководство перешло к начальнику штаба М.П. Лазареву. Комитет рассматривал многочисленные предложения известных моряков по совершенствованию различных направлений морской службы. Немало предложений самого Грейга, опробованных на Черном море, было рекомендовано внедрить во всем флоте.

В 1833 году адмирала определили членом Государственного совета. И в этом качестве он активно работал, готовил документы и выступал по различным вопросам, состоял председателем комиссий военных и морских дел, законов и законодательства, экономики, гражданских дел, польских дел и др. В частности, в 1834—1835 годах он был членом Комиссии по сокращению расходов при Государственном совете. У него оставалось больше времени заниматься астрономией. В 1834 году Грейга избрали председателем Комиссии по строительству Пулковской обсерватории. Крупнейшую в мире обсерваторию на Пулковских высотах в 20 километрах от Петербурга торжественно открыли 7 августа 1839 года. За заслуги в ее сооружении Грейгу была объявлена высочайшая благодарность. Обсерватория вскоре стала астрономической столицей мира.

А.С. Грейг скончался 18 января 1845 года и похоронен на Смоленском кладбище Санкт‑Петербурга. Магистрат Николаева постановил считать Грейга за заслуги в развитии города «вечным гражданином». Жители в его честь поставили в 1873 году памятник, выполненный по проекту М.О. Микешина известным скульптором А.М. Опекушиным. Памятник не сохранился. Но имя флотоводца осталось на карте. Российские мореплаватели в его честь назвали мыс Грейга в Бристольском заливе Берингова моря и остров Грейга в Тихом океане, в архипелаге Россиян.