Sáng sớm ngày 14/3, từ tàu HQ 604 đang thả neo tại Gạc Ma, Trung tá Trần Đức Thông, Lữ đoàn phó Lữ đoàn 146 Hải quân phát hiện thấy 4 chiếc tàu lớn của Trung Quốc đang tiến lại gần.
Tổ 3 người gồm thiếu uý Trần Văn Phương và hai chiến sĩ Nguyễn Văn Tư, Nguyễn Văn Lanh được cử lên đá bảo vệ lá cờ Việt Nam đang cắm trên bãi.
Phía Trung Quốc cho hai xuồng chở 8 lính có vũ khí lao thẳng về phía đá. Chỉ huy Trần Đức Thông ra lệnh cho các thủy thủ từ tàu 604 tiến về bảo vệ bãi để hình thành tuyến phòng thủ, không cho đối phương tiến lên.
6h sáng, Hải quân Trung Quốc thả ba thuyền nhôm và bốn mươi quân đổ bộ lên đá giật cờ Việt Nam. Hạ sĩ Nguyễn Văn Lanh bị lính Trung Quốc dùng lê đâm và bắn bị thương. Thiếu úy Trần Văn Phương bị bắn tử thương. Trước khi chết, anh Phương đã hô: “Thà hy sinh chứ không chịu mất đảo!”.
Do Hải quân Việt Nam không chịu rút khỏi đá, lúc 7h30, Trung Quốc dùng hai chiến hạm bắn pháo 100 mm vào tàu 604, làm tàu bị hỏng nặng. Hải quân Trung Quốc cho quân xông về phía tàu Việt Nam. Thuyền trưởng Vũ Phi Trừ chỉ huy bộ đội trên tàu sử dụng các loại súng AK47, RPD, B-40, B-41 đánh trả quyết liệt, buộc đối phương phải nhảy xuống biển bơi trở về tàu.
Hải quân Việt Nam vừa chiến đấu, vừa tổ chức băng bó, cứu chữa thương binh và hỗ trợ các chiến sĩ bảo vệ cờ. Trung Quốc tiếp tục nã pháo, tàu 604 của Việt Nam bị thủng nhiều lỗ và chìm dần xuống biển. Lữ đoàn phó Trần Đức Thông, thuyền trưởng Vũ Phi Trừ cùng một số thủy thủ trên tàu đã hy sinh cùng tàu 604 ở khu vực đá Gạc Ma.
Tại đá Cô Lin, 6 giờ, tàu HQ-505 của Việt Nam đã cắm hai lá cờ trên đá. Khi thấy tàu HQ-604 của Việt Nam bị chìm, Thiếu tá Vũ Huy Lễ, thuyền trưởng tàu HQ- 505 ra lệnh nhổ neo cho tàu mở hết tốc lực lao lên bãi đá. Phát hiện tàu HQ-505 đang lên bãi thì 2 tàu của Trung Quốc quay sang tấn công. Khi tàu HQ-505 trườn được hai phần ba thân tàu lên đá thì bốc cháy.
8h15, thủy thủ tàu HQ-505 triển khai lực lượng dập lửa cứu tàu, bảo vệ đá và đưa xuồng đến cứu thủy thủ tàu HQ-604 bị chìm ở phía bãi Gạc Ma ngay gần đó (Cô Lin cách Gạc Ma khoảng 3,5 hải lí)
Ở hướng đá Len Đao, 8h20 ngày 14/3, Hải quân Trung Quốc bắn xối xả vào tàu HQ-605 của Hải quân Việt Nam. Tàu HQ-605 bị bốc cháy và chìm. Đến 6 giờ ngày 15/3, thủy thủ đoàn của tàu bơi về đảo Sinh Tồn.
Thượng uý Nguyễn Văn Chương và trung uý Nguyễn Sĩ Minh tổ chức đưa thương binh và chiến sĩ về tàu HQ-505 (sau khi bị bắn cháy nằm trên đá Cô Lin). Thi hài các chiến sĩ Trần Văn Phương, Nguyễn Văn Tư cùng các thương binh nặng được đặt trên xuồng. Số người còn sức, một tay bám thành xuồng, một tay làm mái chèo đưa xuồng về đến đá Cô Lin.
Trận chiến đấu ngày 14/3/1988, thiệt hại của Việt Nam bao gồm ba tàu bị bắn cháy và chìm, ba người hy sinh, mười một người khác bị thương, bảy mươi người bị mất tích. Sau này Trung Quốc đã trao trả cho phía Việt Nam 9 người bị bắt, còn 64 người vẫn mất tích và được xác định là đã hy sinh.
Trong trận Hải chiến Trường Sa, Học viện Hải quân Việt Nam có hai học viên (Kiều Hồng Lập và Nguyễn Bá Cường) hi sinh trong lúc tham gia thực tập và chiến đấu trên tàu HQ- 604, hiện nay vẫn còn lưu giữ hình ảnh tại nhà truyền thống của Học viện.
Nhờ hành động dũng cảm của thuyền trưởng Vũ Huy Lễ và tập thể tàu HQ-505, tàu Việt Nam nằm trên đá Cô Lin và giữ được bãi đá ngầm này. Trung Quốc chiếm đá Gạc Ma từ ngày 16/3/1988 cho đến nay.
Khoảng một tháng sau trận hải chiến tại Gạc Ma, hải quân Việt Nam đưa 35 chiến sĩ công binh và 7 chiến sĩ hải quân cùng vật liệu xây dựng lên đá Len Đao, xây nhà đánh dấu chủ quyền. Lặp lại kịch bản Gạc Ma, trong ngày 16/3, Trung Quốc đưa 7 tàu chiến và nhiều xuồng nhỏ bao vây uy hiếp số quân Việt Nam trên đá. Tuy nhiên, lần này Việt Nam cho 7 máy bay chiến đấu từ đất liền bay ra phía đá hỗ trợ nên số tàu chiến của Trung Quốc bỏ đi, đụng độ không nổ ra, phía Việt Nam giữ được đá và hoàn thành việc xây dựng nhà trên đá.