这场海战基本上是2对2。中国的271、274艇分别攻击“陈庆瑜”号和“陈平重”号，396、389舰则攻击“李常杰”号和“怒涛”号。面对这种架势，南越军舰试图拉开距离，以发挥其远程火炮的威力。但中国海军舰艇紧紧咬住敌舰不放，开足马力，穷追不舍。
中国军舰上射速极快的小口径火炮一阵齐射。据李兆新回忆，一等功荣立者、274艇装填手李如意战后在南海舰队司令部介绍，战斗中他一口气连续装填了180发炮弹，超过了平时训练的最高纪录，双手磨烂了都不知道，后来发现他装填的许多弹壳上都有血迹。
战斗中，271艇利用敌“陈庆瑜”舰的火力死角进行了集中攻击，造成敌舰通讯中断，军旗落入海中，迫使其拖着浓烟逃逸;396、389号军舰则贴近“李常杰”号进行集中近射，“李常杰”号甲板上多处起火。
此时，“怒涛”号趁机向我389舰偷袭。紧急时刻，271编队两艘猎潜艇向“怒涛”号右舷一阵急射，敌舰中弹起火。11时49分，中国海军猎潜艇第74大队(有281和282号两艘，18日抵达西沙群岛宣德群岛的永兴岛附近待命)火速赶来，进入战场。
南越舰队以为是大部队，12时，他们仓皇掉头撤离。“怒涛”号本身航速慢，加上受创，无法跟上逃离的同伴。12时12分，第74大队接到了攻击命令，281艇全速上前，向“怒涛”号猛烈射击，于14时52分在将其击沉。
