登岛行动受挫后，南越海军4艘舰只同时向外机动，占据有利阵位后展开战斗队形冲向中方舰艇，中方四艘舰艇也开足马力迎上去。在中方舰艇即将进入越舰大口径火炮的死角时，南越舰队终于开火了！10时22分，南越各舰同时向中方开炮，中方炮手也按下按钮，脚踏击发，我方炮弹几乎同时出膛。由于双方的第一炮都是在稳定瞄准下发射的，打得都很准，双方的8艘战舰均被击中，中国的274艇被击中指挥台，政委冯松柏、副艇长周锡通当场牺牲。编队指挥所果断命令继续高速近敌，用近战手段与敌厮杀。南越海军试图拉大距离，发挥自己远程火炮的威力，但中国海军船小速度快，两军舰艇很快船舷相接，中方舰艇安装在艇首艇尾的双联25、37等小口径火炮射速极快，就象弹雨泼向敌舰，南越海军的阵脚很快被打乱了。
     越舰像硕大的公牛被猎犬围攻，虽威猛力大却行动不便，大口径火炮射速慢，而且中方舰艇处于其火力的死角，打不着近处的舰艇，不少越军炮弹都打到己方的军舰上。按既定方案，中方271、274艇专朝南越4号舰打，4号舰的驾驶台很快冒起浓烟，急忙逃窜，5号舰马上从侧面拦截追击的274艇，274艇冒着弹雨全速接敌，从1000米一直打到300米，越舰主炮被打哑，海军上校被打成重伤。中方的另两艘扫雷舰389、396舰也贴近南越10号、16号舰集中近射，很快使其中弹起火，389舰的指挥台也被敌炮火打坏，人员伤亡很大。因舵机失灵，389舰冲入越方两舰之间，受到交叉火力的攻击，一发炮弹打在两部主机之间，爆炸起火，幸好被及时扑灭。为了抢修被炸坏的发电机，5名战士在硝烟弥漫、严重缺氧的机舱内全部牺牲。
     这时双方的火炮都派不上用场，389舰舰长肖德万灵机一动：扔手榴弹！当时舰上装了好几箱手榴弹，准备给守岛民兵送去，这时派上了用场。于是中国水兵们七手八脚地把一连串手榴弹扔上了南越10号舰，有人抄起冲锋枪向10号舰扫射，甚至端起反坦克火箭筒对准越舰发射！以至于战后南越向新闻界通报“共军使用了导弹”。在这场现代海战史上罕见的接舷战中，南越10号舰舰长被当场击毙。而389舰身严重倾斜，在396舰掩护其撤出战斗后，不得不在我方渔轮的协助下冲滩搁浅，以免沉没。其余三舰也都不同程度损伤，并且弹药所剩不多。
     仗打到了这个地步，正是决胜负的时候，若此时敌舰坚决返回攻击的话，那么鹿死谁手恐怕也很难说。11时20分，中方的生力军281、282猎潜艇疾驰赶到，战场上中国军队一片欢腾。由刘喜中指挥的这两艘艇为了早一点到达战区，冒着风浪，以高于舰艇航速设计最高限的34节玩命急驰，终于及时赶到，胜利的天平最终倒向中方。南越舰以为中方众多援兵到来，掉头逃跑，被打残的10号舰由于伤势严重，远远地甩在了后面，281、282两艇追上去，两次齐射就将10号舰击沉。当时中国海军编队没有组织捕捞越军。四五天后，一艘丹麦油轮救起了海中漂流的23名南越士兵，而南越这艘名为“怒涛”舰的其余60余名舰员则丧生于南海的怒涛中。