国民党军伞兵收拢起来后，除伤亡者外还有300多人，人数和武器都占很大优势。他们占领了一处高地，以重机枪和迫击炮火力掩护发起几次冲击。战斗从早上5点多进行到接近上午9点，水兵连因火力弱和兵力不足退到渡口边继续阻击，赢得了这三个多小时的宝贵时间。9点之后，解放军第272团乘坐临时征用民间汽车赶到八尺门对岸，接着全营600多人突破敌火力拦阻全部登上东山岛。华东军区司令员陈毅听到这一报告，在电话里爽朗大笑说：“好哇，这下龟儿子就没得咒念了！” 看到解放军渡海部队到达，国民党伞兵退到后林村附近的高地上。解放军经过准备，在午后对高地发起总攻，勇猛杀上阵地后展开白刃格斗，手持冲锋枪的战士没有刺刀，打光了子弹便用铁锹拼杀。激战到下午3点，国民党军伞兵大部被击毙或俘虏，只有不足百人零散逃走，在这天夜晚找到了国民党军大部队会合。事后台湾高层感叹，普通步兵伤亡不足惜，这些多年培训的伞兵损失了大部才痛心！
16日上午，解放军守岛部队主动放弃了东山县城，于8点左右退守全岛的制高点公云山、王爹山和牛犊山三个核心阵地。由于部队事先在山上构有坑道和土木工事，因而在国民党军猛烈的炮火和飞机轰炸下，能抵挡住数量10倍于己的敌军一昼夜猛攻。有的表面阵地被敌占领，部队就以志愿军在朝鲜进行坑道战的战例为榜样，退入坑道内进行战斗。其中公安80团2连依托一条长不到百米的坑道，在27小时内连续打退了国民党军49次冲击，最后的核心阵地一直未失守，一直坚持到半后夜增援部队大批到达。
守住公云山为核心的制高点，粉碎了八尺门降落的国民党伞兵，这就保证了增援部队能顺利上岛并控制有利地形，东山岛保卫战自此胜劵稳操。
解放军获胜后得到毛泽东盛赞
7月16日傍晚，台湾的广播宣布已经“占领了东山岛”，并要庆祝“大捷”，其实战地指挥官胡琏已感到十分沮丧。他看到伞兵夺取渡口失败，解放军增援部队已经进岛，最后的希望是攻下公云山这个制高点，还有可能打败数量远少于自己的对方部队。尽管国民党军不擅长夜战，胡琏仍让部下发起一次次夜袭，结果一次次被公云山守军打了下来。
在八尺门渡口，因解放军靠有限的木船渡海，加上要躲避国民党飞机轰炸扫射，部队进岛速度不快。不过到17日凌晨，第31军第272团已全部上岛，第28军和第41军的先头部队也已经上岛，岛上兵力已达到5000人以上。当时福建军区首长的决心是，待2个师增援部队全部到达，兵力增至2万人而对敌占有优势后，再发起全面反击。当时岛上一些没有撤退的党政干部也指挥民兵，对国民党军不断采取袭击，这又扰乱得敌人时刻不安，有力支援了解放军作战。
17日上午7点，胡琏得知解放军增援部队已大批上岛，为避免被歼急忙收缩兵力准备撤走。上午10点，解放军发现国民党军已动摇，尽管此时兵力只相当敌之一半略多，仍决定立即开始反击。中午前，解放军分三路投入攻击，国民党军以一部掩护，主力则开始登船。
此时解放军实施反击，除了兵力不足，头顶上还不断有敌机盘旋轰炸和扫射，国民党军的舰艇上的火炮也实施拦截。不过指战员们，以分散多路的方式避开敌优势火力，冲到敌前实施近战和肉搏。17日下午，解放军第41军增援部队攻下了虎山，接近了国民党主要登船地点湖尾滩，第28军和第31军增援部队夺取了接近海边的各制高点。不过，当时解放军没有海空军力量，还无法拦截国民党军撤退。至黄昏，解放军消灭了国民党军的少量掩护部队，胡琏率领其他部队从海路逃回金门。
