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武友山和杜剑都提到，战事结束后，他们请求美国第七舰队帮忙打捞生还者，遭到了拒绝。而且美国人给他们提供的错误情报说，中国有大量的舰队和导弹驱逐舰正在增援，以至于南越军队仓皇逃离。
4. 击沉“怒涛”号
10时23分，“陈平重”号高速冲向中国274号猎潜艇。何文锷接到南越指挥部命令，率先对274号舰艇驾驶台开炮，中国舰艇开炮还击。海战正式开始。
这场海战基本上是2对2。中国的271、274艇分别攻击“陈庆瑜”号和“陈平重”号，396、389舰则攻击“李常杰”号和“怒涛”号。面对这种架势，南越军舰试图拉开距离，以发挥其远程火炮的威力。但中国海军舰艇紧紧咬住敌舰不放，开足马力，穷追不舍。
中国军舰上射速极快的小口径火炮一阵齐射。据李兆新回忆，一等功荣立者、274艇装填手李如意战后在南海舰队司令部介绍，战斗中他一口气连续装填了180发炮弹，超过了平时训练的最高纪录，双手磨烂了都不知道，后来发现他装填的许多弹壳上都有血迹。
战斗中，271艇利用敌“陈庆瑜”舰的火力死角进行了集中攻击，造成敌舰通讯中断，军旗落入海中，迫使其拖着浓烟逃逸；396、389号军舰则贴近“李常杰”号进行集中近射，“李常杰”号甲板上多处起火。
此时，“怒涛”号趁机向我389舰偷袭。紧急时刻，271编队两艘猎潜艇向“怒涛”号右舷一阵急射，敌舰中弹起火。11时49分，中国海军猎潜艇第74大队（有281和282号两艘，18日抵达西沙群岛宣德群岛的永兴岛附近待命）火速赶来，进入战场。
南越舰队以为是大部队，12时，他们仓皇掉头撤离。“怒涛”号本身航速慢，加上受创，无法跟上逃离的同伴。12时12分，第74大队接到了攻击命令，281艇全速上前，向“怒涛”号猛烈射击，于14时52分在将其击沉。
5. “直接通过台湾海峡”
第二天，也就是1月20日，9时35分，中国军队发起收复三岛的登陆战。失去海军支援的岛上南越军队，实际上已成为瓮中之鳖。经过约4个小时的战斗，五星红旗就再次插在了珊瑚、甘泉、金银三岛上。
战事结束后，南越一度摆出报复的姿态，派出6艘军舰从岘港向驶向西沙群岛，又派两艘驱逐舰增援岘港，并下令该地区的海、陆、空三军全部参战， 同时请求美国第七舰队援助。
对此，中国的中央军委和海军批准张元培司令的请求，“调东海舰队3艘导弹护卫舰紧急南下，支援南海舰队”。以往，由于台海关系紧张，中国海军舰艇从东海到南海，都需绕道入太平洋，过巴士海峡。而这一次在毛泽东主席“直接通过台湾海峡”的要求下，三艘导弹护卫舰有惊无险地通过海峡。
南越当局看到局势发展对自己不利，于是做出了“应避免下一步同中国作战”的决定。西沙海战结束。
6. 周总理召开紧急会议
这场战斗，中国四艘舰艇受伤，18人牺牲，67人负伤；南越损失更大，除“怒涛”号被击沉，阵亡53人，包括“怒涛”号舰长阮文达（音译），16人负伤，48人被俘。
何以出现这样的结果？从中国方面的回忆材料看，中国从上到下都有维护领土主权的坚定决心和信念。李兆新在《回顾西沙自卫反击战》一文中有个细节，说到1974年1月18日晚9时许，“勤务团截获了极为重要的情报”后的情况：
这一情报非常紧急，莫海燕参谋拿着刚刚译出的情报去了指挥厅。此后，我们立即向总参谋部、海军司令部和广州军区司令部作了报告。很快，张司令、段政委等舰队首长、司政后主要负责同志都来到指挥厅，研究部署紧急作战方案。
有关电报很快传到党中央，经毛主席同意，周总理连夜召开紧急会议，会议决定，既要寸土必争，又要后发制人。中央还决定，由主持军委工作的叶剑英副主席、邓小平总参谋长、海军苏振华政委等六人组成领导小组，代表党中央指挥作战。
坊间曾活灵活现地传言蒋介石当时配合默契，一句意味深长的“西沙战事紧啊”，让国民党军队放行东海舰队的舰只。但李兆新回忆说，真相并非如此。三艘导弹护卫舰穿越台湾海峡时，虽然有惊无险，但也惊心动魄，毫无默契可言。
