11时32分，迟到的281编队驶入晋卿航道，援军到达。281编队是2艘新037型国产猎潜艇，艇上的双57炮射速高、杀伤力大。271艇立即发出10号舰方位，要求281编队抵近射击，速战速决。281编队调好航向，加速朝10号舰冲来。12时12分，281两艇抵达10号右舷后方，距敌550米，顺航向开始第一次冲击，航速20节，4门57炮急速射1分28秒，敌舰散乱的还击彻底被压住，舰体及上层建筑不断中弹，燃起大火，但很快熄灭。281见状由敌首前折返，距敌300米，速度减至15节，逆航向发起第二次冲击，再集火射击1分钟，敌10号机舱中弹起火，完全丧失动力，此时281编队57炮弹已消耗几百发，开始装填火箭深弹，准备发射深弹拼命。同时掉转航向，在敌右舷后方，距敌200米，慢速顺航向发起第三次冲击，第一群炮弹打出，10号水线下弹药库被命中起火爆炸，开始右倾缓慢下沉，当日下午14时52分，10号完全沉入水下，沉没位置：东经111°35′48″，北纬16°25′06″。
此时海战终结，这场耗时149分钟的海战成为了近代以来中国海军史上首次击沉外国军舰的战例。
我国军民在西沙群岛保卫战中，共击沉南越海军护航舰1艘，击伤驱逐舰3艘，毙伤敌100余人，俘虏并遣返南越官兵48人和1名美国联络官。我国军民也付出一定的代价，海战我军共牺牲官兵18名，其中多数是389舰员。67名参战人员受伤，389舰被重伤搁浅。
海战结束后，20日早上，我军乘胜收复甘泉、珊瑚、金银三岛。登陆以后越军立刻崩溃，金银岛越军甚至不战而逃，战斗迅即结束。西沙海战首开中国海军击沉外国军舰记录，也以中国海军取得最终胜利而告终，从此中国开始牢牢控制西沙群岛。
西沙海战时值文革乱世，战前1970年，海军榆林基地西沙情报站、观通点在动乱中被停掉，情报工作准备不足。战前北海舰队、东海舰队均困守防区，没有支援南海舰队。榆林基地仅能派出两艘猎潜艇参加巡逻，参战中最大的两条扫雷舰最也是刚厂修出来，航速只有8节，速度过慢不利于海上机动和规避敌方炮火。281编队两艘037型猎潜艇是新艇，但是驻永兴岛待命以后，艇上电台关闭，依靠码头电台转接。结果19日凌晨舰队要求增援时，通讯兵忙中出错直接呼叫281编队，当然不会有回应。直到6个小时后281编队测试电台才收到命令，参战过晚。西沙之战虽然胜利，其中漏洞在现今的军事建设中仍需得到相应注意。
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