下午6時15分，海戰再次展開，「長門」和「陸奧」只能用剩下的六門後主炮進行還擊，而共和海軍六艘戰列艦卻擁有30門前主炮，不過在高速行進中雙方的主炮都未能命中對方，有時射出的炮彈甚至偏得離譜。
海面上隆隆的炮聲，兩支相互追逐交戰的戰列艦隊，這樣的場面很容易將人們的思維帶回到一戰時期的巨艦大炮時代，但實際上在這個時代，即使是長門級410毫米的主炮也難以對敵手在厚重裝甲包裹下的重型戰列艦構成致命的打擊。時代已經變化，戰列艦發射的重磅炮彈固然可怕，但卻很難擊沉一艘重型戰列艦。
陳世英站在祁連山號的指揮塔內，手裡舉著望遠鏡，通過一人多高的觀測口觀察著海面上的情況。海面上不時傳出一陣陣悶雷般的爆炸聲，從敵艦發射出來的炮彈在共和艦隊前方激起數道五、六十米高的白色水柱，偶爾會遮擋住軍艦上觀測手們的視線。
「方位173，發現敵人大型水面目標！」遠處煙霧迷濛的海面上，共和海軍每艘戰列艦在用五門前主炮進行齊射時都會激起一道白色的水幕，當這些水花逐漸回落，日本海軍戰列艦那特有的高大塔式桅樓又會重新出現在觀測手們的視野中。不過在這次齊射過後，又有兩艘日本戰列艦煙筒冒著黑煙，出現在戰場的側前方。
原來拖在後面的日本戰艦扶桑和山城號一頭闖進了戰場，這兩艘日本軍艦在夕陽下沒能看清「長門」號上發出的讓其轉向的信號，突然進入到戰場的兩個「冒失鬼」挽救了末次信正，卻把自己送進了鬼門關。
「右舵15，攻擊抵近的兩艘日艦！」陳世英皺了皺眉頭，重新調整了部署，這意味著他準備放棄已經受到重創的「長門」和「陸奧」。兩分鐘後，各艦在重新調整了射擊諸元後，開始轉而攻擊闖入戰場的「扶桑號」和「山城號」。
共和海軍主力艦作了一次右轉向的機動，將全部的側舷火力都對準了「扶桑」和「山城」號，「扶桑」號艦長筱田勝清少將很快就判斷出戰場上的形勢，他決心犧牲自己，以保住讓日本人引以為豪的「長門」和「陸奧」。
「扶桑」號和「山城」號是日本海軍自行建造的第一級「無畏艦」，兩艦建成於一戰之前，不過因為日本當時缺少建造大型軍艦的工業技術和經驗，這兩艘軍艦在下水的那一刻起就被貼上了「次品戰列艦」的標籤。
儘管如此，這艘裝備了六座雙聯裝360毫米主炮的戰列艦火力和防護也堪稱強大，雖然佈置在舯部的兩座炮塔由於射界的原因不能向兩邊開火。
兩艘日本戰列艦雖然航速較慢，但它不想跑的時候共和海軍還一時拿它沒有多少辦法。
在其後的近一個小時的海戰中，兩艘艦齡近二十五年的日本老式戰列艦頑強地抵抗著共和海軍六艘新式戰列艦猛烈圍攻，從黃昏一直到傍晚，兩艘日艦至少挨上了兩千發各種大小口徑的炮彈，渾身上下冒著熊熊的火光，整個的上層建築幾乎都被夷為平地，得依然倔強地浮在水面上。
「扶桑號」和「山城號」的艦體已經被打得千瘡百孔，幾乎已經看不出它原來的模樣，濃煙從艦體各個地方向外噴出。它們所有的上層建築如艦橋、桅桿、煙筒、炮塔等等，都已經被炸得七零八落，又有幾艘巡洋艦也加入到對這兩艘可憐的日艦的圍攻之中。在兩艘日艦瘡痍滿目的艦體上，從艦首到艦尾，炮彈接二連三地在爆炸，猶如兩團巨大的火球，在海面上熊熊燃燒，火光映紅髮本已昏暗的天際。
扶桑號和山城號上僅剩的幾門小口徑防空炮還在發射著炮彈，儘管是徒勞無功，這種口徑的炮彈對驅逐艦都造成不了實質性的傷害。
濃烈的火焰從「山城號」的舯部竄了出來，十數秒之後，一團蘑菇狀的巨大火球升上了數百米高的天空，在火光的映照之下，這艘排水三萬二千噸的巨大戰艦從舯部爆炸之處開始向下彎曲，艦首和艦尾卻在水面上高高地翹起，指向了天空。
只有幾分鐘之後，在爆炸的紅光之中，海面上除了還漂浮著一些零碎的雜物和燃燒的油污，這艘巨艦已經消滅在了水面之下。
「『山城』號沉沒了！」作戰室裡年青的軍官們興奮地跳了起來喊道。
「命令『昆明』號抵近，用魚雷結果它！」陳世英強忍著內心的激動，向艦隊下達著使用魚雷對還在頑抗的「扶桑」號進行攻擊的命令。他不得不佩服日本人的頑強，這艘日本戰艦甲板都已經快要沒入水面，依然在用艦上僅有的幾門小口徑火炮進行著還擊。
「昆明」號巡洋艦抵近到距「扶桑」號不到三千米的距離，向這艘還在海面上殘喘的軍艦發射了兩枚魚雷。
隨著幾聲巨響，日本人的這艘戰列艦消失在了水面上，海面上只剩下幾團燃燒的碎片，伴隨出力艦隊出動的「柳州」號、「衡陽」號驅逐艦開著探照燈在水面上搜巡著落水的日本水兵，共和海軍主力艦隊在整理和收攏著編隊。
「命令艦隊，準備返航！」陳世英略有不甘地抬著頭看著遠方暮色沉沉的天跡，下達著返航的命令。
黑夜已經來臨，他不想冒險再去追逐日本人的逃兵，在晚上到處亂竄的日本驅逐艦是個很大的威脅，日本人威力巨大的93式魚雷給他留下了很深的印象。
這是一場近乎完美的大勝，除了受到重創的「世昌」號，這艘重巡洋艦企圖帶領巡洋艦分隊利用航速前去對逃跑的「長門」號進行攔截，但遭到日本「扶桑」號和「山城」號兩艘戰列艦的痛擊，其上層建築幾乎被炸塌，兩門主炮塔被炸壞，艦艏也被一發360炮彈削去一小半。
感謝德國人精密的水密隔艙設計，這艘受到重創進水多達2000噸的戰艦在兩艘巡洋艦的陪伴下，第2天上午依然踉踉蹌蹌返回了基地，儘管航速已經降到了15節，但還是能夠堅持下來。
東沙海戰稱得上是一次極有意義的大勝，共和海軍以犧牲156人，357人受傷和一艘重巡洋艦被重創、兩艘戰列艦輕傷的代價取得擊沉兩艘日本戰列艦、兩艘重巡洋艦和一艘驅逐艦，重創日軍兩艘戰列艦、兩艘重巡洋艦的重大戰果，使自甲午以來一直被日本海軍壓制的共和海軍終於有了揚眉吐氣的一天。
在艦隊返航的路上，凌晨3時，共和總統和國防委員會就向艦隊發來了賀電，祝賀共和海軍取得的「歷史性的勝利」。
隨著歡慶海軍取得的重大勝利，國內「反攻台灣」的呼聲日益高漲，共和軍也在磨刀霍霍，加緊訓練登陸部隊和準備運輸船隻。整個台灣風聲鶴唳，日本人在加緊防備，雙方的飛機幾乎每天都會在海峽上空展開激戰。