为打好这一仗，周恩来向有关各方及时传达了经毛泽东同意的政治局会议决定。1月19日凌晨，周恩来告诉叶剑英召集军事五人小组（后又增加苏振华），研究商讨西沙群岛具体作战方案，部署自卫反击事项。
1月19日清早，南越海军派出3艘驱逐舰和1艘护卫舰，再次驶入我西沙永乐岛海域，蛮横地对我国在此海域从事正常作业的渔民进行武装威胁，并按前几次的挑衅方式，向我渔船、渔民和民兵开枪开炮，造成我人员伤亡。
针对南越海军新的挑衅，我海军南海舰队迅速命令两艘扫雷舰进至广金岛西北海面，拦截“李常杰”号和“怒涛”号舰；命令猎潜舰进至广金岛东南海面，监视“陈庆瑜”号、“陈平重”号两舰。此时，整个战场的形势明显是敌强我弱。从装备上看，南越海军3艘驱逐舰和1艘护航舰，最大的1770吨，最小的也有650吨，总吨位达6000多吨，同时舰上还装有127毫米以下口径的火炮50门。而我编队的4艘舰艇，总吨位加起来还不如敌方最大一艘舰船的吨位大，且我方火炮也比敌方弱。
南越“李常杰”号驶向我琛航、广金两岛附近，放下4只橡皮艇，护送40余名南越军人抢滩登陆。其中，登上广金岛的南越士兵首先向我守岛民兵开枪射击，制造了蓄谋已久的新的流血事件。我守岛民兵奋起自卫还击，当场毙敌1人，伤敌3人。入侵者被迫撤退，狼狈地逃回舰上。直接登岛受挫后，南越海军改变了战术，试图在海战中讨回便宜。4艘南越军舰占据有利外线阵位后，突然一齐向我海军编队4艘舰艇发起猛烈炮击，致使我海军舰艇在其密集的炮火下接连中弹，再次造成人员伤亡。根据敌我双方装备情况和战场态势，我编队指挥果断命令采用近战手段与敌厮杀。经过一场恶战，南越“怒涛”号被我海军击沉在羚羊礁以南海域。至此，西沙海战首战获胜！
为了狠狠教训南越侵略者，收回被其占领的我国西沙诸岛，捍卫中国主权和领土完整，报经毛泽东同意，叶剑英、邓小平等研究决定：继续扩大战果，立即发起登陆作战，从南越手中收复珊瑚、甘泉、金银三岛。1月19日下午，我广州军区根据中央军委的指示，对这次登陆作战作出部署。首先集中兵力攻打位于珊瑚、金银两岛之间没有坚固工事的甘泉岛，然后再向工事坚固、兵力较多的珊瑚岛发起进攻，最后攻取金银岛。与此同时，组织和部署海上力量随时打击南越军队增援永乐群岛的海军舰只。
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，有效捍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。
