3月13日下午，中国502号护卫舰（南充号）组织人员登上赤瓜礁，不久中国502号舰雷达发现3艘越南舰艇正向赤瓜礁海域驶来，傍晚时分，越军604号武装运输船在赤瓜礁抛锚，越南605号运输船在赤瓜礁东北的琼礁抛锚，越南505号登陆舰则在赤瓜礁西北的鬼喊礁抛锚。越军企图非常明显，兵分三路同时抢占赤瓜礁和附近的鬼喊礁、琼礁。中国502号舰果断决定首先确保赤瓜礁，与越军对峙，等待后续舰艇赶来。

3月14日，中国海军531号（鹰潭号）和556号（湘潭号）护卫舰赶到赤瓜礁海域，556号警戒琼礁方向，531号则与502号舰会合，全力保卫赤瓜礁。此时，越军604号武装运输船派出人员登上赤瓜礁，至7时30分，越军上礁人员共43名，并在礁北侧插上两面越南国旗。中方海上指挥所决定寸步不让，但同时要力争避免流血冲突，决不首先动用武力，采取与越军武装共处的方针。根据这一方针，中国502号舰立即抽出33人，中国531号舰抽出25人登上赤瓜礁，使登礁人数达到58人。

东西宽仅200来米的赤瓜礁上，双方人员相距约100米，各自站成一列，双方枪口对枪口，形成对峙，8时，一名越军士兵将一面越南国旗插在我军官兵面前的珊瑚礁上，水兵杜祥厚一把将越南国旗拔了下来，一名越军随即举枪瞄准，战友杨志亮出面掩护，此时越军抢先开火并击伤杨志亮。中国海军编队海上指挥员陈伟文将军立即命令还击。礁上的我军官兵立即开火还击，并按照预定方案迅速后撤，与越军拉开距离，以便舰炮发挥火力。随后双方交火。越军604船上的机枪也响了，中国502舰的机枪亦开火还击。

中国502号舰的炮火一发接一发落在越军604号船上，将对方火箭发射器、四联装高射机枪等一一被摧毁。4分钟后，越军604船起火下沉。9分钟后，越军604号船就沉入海底。而越军在赤瓜礁上的人员失去退路，只得缴械投降。中国海军士兵随即停止还击。9时，越南505登陆舰打出了一面白旗投降。

9时15分，中国556号舰抵达琼礁海域，发现越军605号船已经派出9人登上了琼礁，于是556号舰立即用高音喇叭警告其离开，岂料越军不仅拒不撤走人员，反而向556号舰射击，556号舰立即开炮还击，并将605号船驾驶台轰塌。越南605号船船体倾斜。9时37分，中国556号舰停止射击，而伤势沉重的越南605号船则在天黑时沉没。
10时50分，赤瓜礁上的全体官兵押着俘虏撤回舰上。

中国在此次战斗发生以前，虽然一直宣称拥有南沙群岛的主权，但实际上并没有有效控制其中任何一个岛屿、珊瑚礁或沙洲。二十世纪七十年代以后，中国南海周边国家纷纷进入南沙群岛，单方面划定疆域，并借助外资进行资源开发。在本次海战以后，中国收复南沙群岛的永暑礁、华阳礁、东门礁、南薰礁、渚碧礁、赤瓜礁共6个岛礁，填补了中国对南沙群岛实际控制的空白点。

此次海战结束后，为防止越军可能利用空中力量进行报复，海上编队指挥员陈伟文命令各舰尤其是装备新型防空导弹的531号舰加强防空作战准备，而越军迫于中国海军的压倒性优势，并未有任何反击措施。参战舰艇顺利驶返海南岛基地休整，当晚中央军委通令嘉奖，对海上舰艇编队坚持自卫原则、严守战场纪律、打出了国威军威进行褒奖。

此战之后，南沙海域的越军舰船莫不闻风而逃，赤瓜礁海战胜利的震慑力可见一斑，自此之后，永暑礁海洋观测站建站工程再无干扰，于1988年8月顺利完成。

海战结束不久，我国七届人大正式宣布了建立海南省的决定，并且明确指出：西沙、南沙及其附近海域的管辖权归海南省。1988年4月21日，外交部再一次重申：西沙群岛和南沙群岛自古以来就是中国领土，历来在中国广东省政府的管辖之下。现将这两个群岛划归新设立的海南省管辖，完全是中国的内部事务，越南当局根本无权干涉。