在护航炮船队的掩护，经7的航行，渡海船队突破国民党军的海封锁，在琼崖纵队1、3总队2军先遣偷渡团的接应，17日3始登陆，43军128师主力在玉抱港、雷公岛一线登陆，40军主力在新村、临高角段登陆。至6，两军全部登陆完毕。
40军部队岸，击溃国民党军64军131师2团，连克9座堡群，夺取滩头阵。与此同，岛118师先遣偷渡团拂晓占领守军核阵临高山（今高山岭），掩护登陆部队集结。43军128师主力登陆，攻占才芳岭、玉抑港、桥头等据点，歼灭守军1200人，并包围了花场港。岛127师先遣偷渡团拂晓进至福山北区，与128师主力合。
蒋介石1950年3月在台湾复任“总统”，鉴己的残余部队已撤至沿海各岛屿解放军正准备规模渡海战的形势，决定集中兵力确保台湾，必放弃舟山及海南各岛。解放军渡海兵团举登海南岛，薛岳急将暂编13师三江车运福山，配合62军151师453团向解放军43军登陆部队进攻，64军156师及131、159师各1团向临高增援，向解放军40军登陆部队进攻，企图乘解放军立足未稳歼灭。
根据国民党军准备同解放军在琼北决战的征候，在运动中歼灭国民党军有生力量，邓华4月17日晚电令40军登陆部队包围台、加国民党军，43军登陆部队集结福山、文区机动。据此，43军127师先遣偷渡团协同128师主力，18日在福山北击溃国民党军暂编13师等部4团的进攻，128师先遣偷渡营趁机占领福山。40军118师19日午在台区歼灭国民党军64军156师师部及1团部，119师亦日占领加。至此，解放军攻占福山、文、加一线，彻底突破“伯陵防线”。
薛岳一次进攻失败，又将32军252师主力（2团）由嘉积（今琼海）车运澄迈，将63军90师集中那，继续解放军实行围攻。756团三亚空运海口，62军151师由屯昌向澄迈前进，62军153师进至澄迈老城及白莲市，64军153师131师集中临高、台区，4军根据述情况，便夺取海口及续部队继续登陆，邓华19日16指示：“40军即向澄迈前进，负责包围歼灭澄迈敌。43军即进至亭东北区，担任歼灭海口及定安向澄迈增援敌。”此外，求40军1营配合琼崖纵队1、5总队主力留西区活动，牵制国民党军3路军。43军128师主力19日黄昏东进，次日午即将由定安向澄迈增援的国民党军252师主力包围黄竹、亭区。127师先遣登陆团亦20日8进至仁区，准备打援。
薛岳解其252师围，又急将62军163师2团从琼山车运安仁，62军153师由白莲市向风门岭、茅草山前进，252师另1团向黄竹、亭前进，解放军128师实施反包围，同命令驻海口的空军动助战。邓华乃决将计就计，趁薛岳集中主力围攻43军登陆部队机，在亭、安仁、白莲区展一次较规模的围歼战。是，命令43军登陆部队死守阵，顶住国民党军的进攻，命令40军不顾疲劳，迅速东进，将进攻128师的国民党军包围。
21日，国民党军62军等部在飞机的配合，平顶山、风门岭、茅草山等127师阵动13次进攻。在琼崖纵队3总队独立团的协同，127师379团英勇抗击，该团1连虽剩10余名伤员，但仍守住了阵。128师主力21日晨攻占黄竹，即准备歼灭亭国民党军252师主力。日午，40军主力7团抵达亭区，将包围128师的国民党军包围。次日，40军、43军的登岛部队琼崖纵队3总队及独立团国民党动猛攻，国民党军即向海口溃逃。亭围歼战，全歼国民党军32军252师主力，重创62军等部。接着，118师一部协同128师23日晨在琼山区歼灭国民党军62军2师部，128师127师先遣登陆团23日8占领海口。
海口市解放，渡海战兵团2梯队43军13营，23日19由三塘港、新港渡，次日1至4在海口市西的尾港（今新海港）登陆。至此，渡海战兵团主力全部登海南岛。
鉴海南岛战况恶化，避免主力被歼，台湾“国防部”18、22日先电令薛岳组织撤退。薛岳遂22日午达了撤退琼南的命令，1路军退集乐、万宁，2路军取定安、嘉积，退集陵水、保亭，3路军退集北黎、昌江、感恩，4路军海军、空军退集榆林、三亚区。薛岳求台湾务26日前派船达榆林港三所港等，接运部队撤离。
渡海战兵团获悉国民党军向琼南撤退，即24日16命令两军不顾疲劳，分3路追击，同指示琼崖纵队配合主力南进。
东路追击部队由40军主力及43军128师组，沿环岛公路经嘉积、乐、万宁、陵水向榆林追击。118师354团加强营乘坐汽车24日黄昏从海口，26日13进至龙滚市，将国民党军252师残部、教导师等部击溃，俘2000余人。118师主力同由海口，27日在万宁、乐、乌场港区击溃国民党军32军等部2师，俘3000余人。119师云龙市，25日在嘉积击溃国民党军62军151师，俘800余人，28日进至凌水。128师琼山，28日进至凌水，截歼国民党军2000余人，29日急行军90公，途中连打4仗，30日与119师及琼崖纵队5总队一，在榆林、三亚歼灭未及逃跑的国民党军。
西路追击部队40军118师352团加强营，该部水陆并进，配合中路追击部队向北黎追击。由风浪高、船速慢等原因，部队赶北黎港，该港已43军部队解放。
中路追击部队由43军129师及127师380团组。该部从尾港登陆，25日从亭，经澄迈、那（今儋县）向琼西直追，30日至5月1日在岭、八所、十所、北黎一带全歼国民党军4军286师等部。至此，海南岛战役遂告结束。
在北京，毛泽东始终密切关注着海南岛战役进展情况，4月28日，就是海南岛全部解放的前三，他给胡乔木同志写了一封信：“乔木同志：海南岛即将全部解放，请草一贺电，待榆林港解放即表。”
4月30日，在中华人民共国首北京的毛泽东知海南岛全部解放，高兴秘书说：“从今我连吃三顿红烧，你不阻止我呀！”