南越军舰的第一炮瞄准的是中方舰艇的指挥台，由于其瞄准了很长时间，所以炮弹打的很准。一排炮下来，中方的几个舰长与政委非死即伤。但是中方舰艇继续高速近敌，发挥小口径速射炮的近距离优势，压制南越军舰。而南越军舰此时由于其大口径火炮发射速度慢，又兼中方舰艇小、舷高只有两米、距离太近进入其死角调整困难，发挥不了火力优势，被中方舰艇狂轰猛打。为了摆脱被动，南越军舰试图拉开距离，中方舰艇则穷追不舍，集中火力攻击南越4号、16号舰。

西沙之战

中方猛攻4号舰与16号舰，认为它们分别是处于两地的南越军舰中的指挥舰。而一直到海战之后，中方都认为4号舰是整个南越舰队的旗舰。实际上中方的情报还是很准确的，直到18日4号舰都是南越的旗舰，但19日早上由于南越舰队指挥官的变更，5号舰变成了旗舰，这是中方所没有想到的。

中方271、274艇的火力，专朝南越4号舰的主炮、火控、通讯与指挥系统倾泻，尽管有5号舰的救援，该舰还是被打的通讯中断、指挥失灵，舰上冒起了浓烟。与此同时南越军舰也拼命开火向中方射击，大口径炮打不了近的就打远处的中国舰艇，以支援同伴。由于中方舰艇和敌人相距太近，不少越军火力都打到自己的军舰上，南越各舰都挨了自己人的炮弹。

南越海军的10号舰为了解救正被中方396、389两艇围攻的16号舰，向389艇冲来并猛烈射击。被敌两面夹攻的389艇多处中弹，6名官兵阵亡，艇上燃起大火，但仍英勇战斗，与396艇一道调转炮口，向10号舰还击，并向该舰冲去。10号舰被击中弹药舱，爆炸起火。389艇此时弹药也已用完，仍然奋力前进，直冲到与10号舰几十米处，中国水兵抄起火箭筒、冲锋枪，向10号舰甲板舱面一通猛射(该批武器本来是运给中方驻岛民兵的，由于18日夜里风浪太大，没能送上岛)。战斗中南越10号舰舰长被击毙。

南越16号舰想要前来搭救10号舰，却被中方396艇拦截攻击。16号舰先前发动机舱水线下中了自己5号舰一发127mm炮弹(幸亏该炮弹没有爆炸，否则越军首先将自己的舰打沉一艘)，后来又受到中方两艇夹功，此时其通讯、控制和供电系统都已失灵，舰体倾斜20度(当它后来回到南越军港时已倾斜到了40度，只乘一部主机还能工作)，无法继续作战，于是转头逃向外海。

见到16号舰退出战斗，南越4、5号舰也无心再战，丢下被打残的10号舰，也转头奔向外海逃窜。途中他们曾要求美军第七舰队进行干预，并救援10号舰的士兵，被美军拒绝。从越舰开炮到其舰队被击溃，中间只有短短的13分钟。据战后据南越海军检验，除去被击沉的10号舰外，16号舰中弹820发，其余两舰中弹都在千发以上，可见当时战况的激烈和中国海军作战的英勇。