为了混淆对岸大陆雷达系统，这两条军舰故意绕行到香港外海，再往北航驶，试图让大陆军方误以为两舰是前往香港的普通商船。两舰原计划航行到广东、福建两省交界处的东山岛附近，将突击队人员放到海面，旋即驶离现场，在约定时间再冲进会合区的水域，把突击队人员接回舰上。

但事实上，这两条军舰驶离高雄时，大陆的“侦察系统”早已辨识出这是军舰，而不是商用船只。大陆方面的南海舰队根据情报判断，国民党军这两艘军舰可能在东山岛海域进行偷袭，或对大陆渔民进行心战活动，于是预为布署，以逸待劳，组织了一支突击船队，驶往预定海域等待“剑门”、“章江”。

8月6日凌晨两军接近时，因为两舰的行踪与目的早已被识破，共方先以高速炮艇数艘围攻“章江”。根据大陆方面的说法，炮火炽烈之际，“剑门”一面还击，一面却往东撤离战场，留下“章江”在接战区，独力作战，以致被共方四艘护卫艇紧紧缠住，从五百米逼近到一百米以内。“章江”舰被击中，舰身起火，企图往后方逃脱，共方两艘快艇加速堵击。据徐学海将军的回忆称，“章江”舰的弹药库中弹，起火爆炸，舰身很快下沉。

徐学海将军指出，“剑门”舰发现“章江”舰遭共方舰艇包围，驰援参战，但“剑门”舰却由于舰舷较高，共方炮艇迫近时，“剑门”舰火炮形成死角，打不到位于舰舷下方、迫近“剑门”舰的共军舰艇。这时，共方舰艇趁势以机关枪猛烈射击“剑门”舰甲板上的国民党军官兵。紧接着，在“剑门”舰官兵几乎已失去回击能力时，共军鱼雷快艇接近“剑门”舰，施放三枚鱼雷重创该舰。在“剑门”舰上的指挥官胡嘉恒少将，身负重伤，受震落海死亡，舰长王韫山上校头部重伤受震落海后，被共方俘获。

8月6日凌晨5时20分，海战结束，“章江”、“剑门”相继葬身鱼腹。据徐学海将军回忆，清晨四五点钟时，台北通信站按既定时间呼叫负责战术指挥的“剑门”舰，未获响应，随后不断呼叫，断断续续收到“剑门”舰无线电微弱的回复，徐学海怀疑这讯号是共军冒用频道呼出。到清晨时分，国民党军派出空军战斗机飞临汕头上空，飞行员回报指出，海面上发现有大批漂流物，该处海域并无“章江”、“剑门”两舰的踪迹，而共军的舰艇则编队返回汕头方向。

徐学海回忆：“这时我们心想，状况恶劣透了！”

8月6日当天大清早，国民党军“参谋总长”黎玉玺，急电海军“总司令”刘广凯，称蒋介石在阳明山等他们上山出席“总统会报”，两人兼程赶赴阳明山官邸，见蒋介石、蒋经国两人愁容满面，等刘广凯报告两舰遇袭沉没的经过。

其间蒋介石脸色铁青，不发一语。据当天在场的朱元琮将军形容，蒋听完刘广凯的报告之后，气得直跺脚。

这场海战的失败，严重影响了蒋介石对国民党军“反攻”的信心和决心，1969年，蒋的座车又不幸在阳明山遭逢车祸，他因病所累，年事日高，无人能代替他作“反攻”决策，所谓“反攻”大陆的计划，终于束诸高阁。