20日上午9时35分，我登陆作战部队和民兵等，便按既定计划发起了收复三岛的登陆战！
此时，失去海军支援的南越军队，实际上已经根本无力抵抗，早已成了瓮中之鳖。因此，仅仅经过10余分钟的战斗，甘泉岛上的敌人便纷纷缴械投降了。珊瑚岛上的敌人也仅仅在我军发起冲击前抵抗了一下，待我登陆部队占领滩头阵地，守岛敌人便即刻放弃抵抗，四处逃窜。我军登陆作战旗开得胜，仅用4个小时（实际战斗加起来不超过20分钟）顺利收复珊瑚、甘泉、金银三岛，将五星红旗再次插上三岛。在这次中国军民誓死保卫西沙群岛的自卫反击战中，处于劣势装备的中国海军，击伤南越驱逐舰3艘，击沉护卫舰1艘，毙伤南越官兵100余人，俘敌48人。当然，为保卫西沙群岛，中国军民也付出了一定代价：中国海军274号艇政委冯松柏等18名官兵英勇牺牲，另有67名参战人员受伤；同时，我389号舰也遭敌军重创。
中国台湾国民党当局也强烈谴责了南越当局侵犯中国岛屿的非法行为。不久（1974年5月）中央军委决定“从东海舰队抽调3艘导弹护卫舰紧急南下，支援南海舰队”，毛泽东要求“直接通过台湾海峡”（以往20余年，中国舰队从东海到南海，需绕道走琉球群岛，入太平洋，过巴士海峡），蒋介石亲自下令，破例向我海军舰队亮起“请通过”的信号。
西沙群岛保卫战的胜利，极大地鼓舞了中国人民，增强了全民族凝聚力。毛泽东、周恩来、叶剑英、邓小平等老一辈无产阶级革命家决策、指挥的这场西沙保卫战，沉重打击了南越当局的嚣张气焰，有效扞卫了我国主权和领土完整；人民解放军由此也积累了一定的海上作战经验。
西沙海战结束后，中国东海舰队第一次直穿台湾海峡增援前线，台湾方面不予阻拦。1988年的海战，祖国大陆舰队在台湾驻守的太平岛停留并补给。海峡两岸在维护南海主权问题上，可以说都是以民族大义为先，步调一致。
