登岛行动受挫后，南越海军决定改变战术，试图在海战中讨回便宜。10时20分，4艘南越海军舰只同时向外机动，在占据了有利的外线阵位之后，展开战斗队形冲过来。中国舰艇编队也开足马力向南越军舰迎上去。在中方即将进入南越舰队大口径火炮的死角时，南越舰队终于撑不住了。

10时22分，南越海军旗舰5号舰下达旗语，各舰同时向中方一起开炮，而就在其炮口火焰一闪的霎间，中方炮手也按下了电钮，脚踏击发，我方的炮弹几乎同时出膛，西沙海战在泻湖内外正式打响！

由于双方的第一炮都是在稳定瞄准的情况下发射的，所以炮弹准确性很高。双方参战的8艘战舰均被击中，不同程度受损。其中中国海军274艇被击中指挥台，274艇政委冯松柏、副艇长周锡通当即牺牲在指挥台上。

根据敌我双方的装备情况和战场态势，编队指挥所果断命令继续高速近敌，用近战手段与敌厮杀。271、274号猎潜艇在泻湖外攻击4号和5号舰；396、389号扫雷舰在泻湖内攻击16号和10号舰。