中方认为南越4号“陈庆瑜”舰是其舰队的旗舰
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。
南越海军16号“李常杰”舰
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。
尽管南越舰队被击溃，中方舰艇此时自己的状况也很不妙：389艇大火未熄，艇身严重倾斜，不得不在我方鱼轮(忘了是402还是407轮)的协助下冲滩，以免沉没。其余三艇也都带伤，并且弹药不多，竟然拿南越落在后面、已无自卫能力的10号舰都没有办法。就在这个时候中方281、282两艇赶到了西沙海域。这两艘艇为了早一点到达指定地点，在18日夜间冒着狂风大浪，以高于舰艇设计最高限的速度急驰，终于为中方及时送来了生力军，使西沙海战的胜利天平最终倒向中方。
南越10号舰，连同它已经阵亡或还活着的82名水兵，被中国281艇于1974年1月19日下午2点52分击沉于羚羊礁以南，一艘丹麦油轮和一艘南越渔船，分别在四、五天之后救起了23和14名在波涛中漂流的南越士兵，其余人的命运不晓。
西沙海战及其结果，使中国和南越政府同感震惊与意外。对自己劣势的海军在西沙取得大胜毫无准备的中国，立即开始战争动员，以图扩大战果，一举解决西沙问题。中方紧急征调了500名陆军与民兵，于20日晨搭乘军舰和渔船赶赴战区，除了派出南海舰队的舰艇紧急驰援西沙外，东海舰队的两艘导弹驱逐舰也从台湾海峡南下增援。空军方面，据说当时出动了刚研制成的歼七战机，尽管这种战机在西沙海域的滞空时间不到十分钟，它的出现仍然起了极大的震摄。1月20日，中国新锐部队到达西沙，在舰炮火力支援下，一举攻克自1956年起就被南越海军占领的三个岛屿，俘敌48名，包括一名美军联络官。
西沙海战南越海军本来是有备而来，志在必得，不料却吃了当头一棒，顿时惊慌失措。其海战指挥官面见南越总统汇报时，不敢告之海战已经失败，只是一味责备空军没有支援。直到1月20日下午，南越才派出搭载了一个陆战营的麒麟号军舰，试图增援其西沙守军(半途而回)，另外还集结了海空部队，摆出再战的架式。但是面对中方大举增援后、早已严阵以待的西沙海军部队，始终没有敢轻举妄动，最后还是缩了回去。西沙海战的消息在南越激起了巨大的反响，同两千年来的“北方敌人”作战虽然失败，但还给了南越政府一针强心剂，其总统举行了盛大香宾酒会款待其败归的海军官兵，算是虽败犹荣吧。
至于传言说当时北越方面向中方道贺，感谢替其收复西沙岛屿云云，应该不是真的。事实是当时北越方面对西沙之战没作任何公开反应，如同什么都没发生一样。至于私底下有何动作，就不得而知了。
西沙之战，南越方面军舰被击沉、重伤、轻伤各一艘，士兵阵亡100余人，被俘48人，负伤人数不祥。中方舰艇重伤一艘，轻伤三艘，士兵阵亡18人，负伤67人。尽管中方事前对南越开战的决心估计不足，派出的兵力十分薄弱，但参战的中国海军官兵英勇战斗，战术运用也十分成功，终于取得了胜利。考虑到双方力量对比的悬殊，这样的战果在世界海军史上也是罕见的。而西沙之战的真正意义，在于消灭了自1956年起就盘踞在那里的南越军队，将越南势力彻底赶了出去。否则再等一年多，北越吞并了南越后接管了那几个岛屿，中方的麻烦就大了。
