在护航炮船队的掩护下，经过7个多小时的航行，渡海船队突破国民党军的海上封锁，在琼崖纵队第1、第3总队和2个军先遣偷渡团的接应下，于17日3时开始登陆，第43军第128师主力在玉抱港、雷公岛一线登陆，第40军主力在新村、临高角地段登陆。至6时，两军全部登陆完毕。
第40军部队上岸后，击溃国民党军第64军第131师2个团，连克9座地堡群，夺取滩头阵地。与此同时，岛上第118师先遣偷渡团于拂晓占领守军核心阵地临高山（今高山岭），掩护登陆部队集结。第43军第128师主力登陆后，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。岛上第127师先遣偷渡团于拂晓进至福山以北地区，与第128师主力会合。
蒋介石于1950年3月在台湾复任“总统”后，鉴于自己的残余部队已撤至沿海各岛屿和解放军正准备发起大规模渡海作战的形势，决定集中兵力确保台湾，必要时放弃舟山及海南各岛。解放军渡海兵团大举登上海南岛后，薛岳急将暂编第13师自三江车运福山，配合第62军第151师第453团向解放军第43军登陆部队进攻，以第64军第156师及第131、第159师各1个团向临高增援，向解放军第40军登陆部队进攻，企图乘解放军立足未稳而歼灭之。
根据国民党军准备同解放军在琼北决战的征候，为在运动中歼灭国民党军有生力量，邓华于4月17日晚电令第40军登陆部队包围美台、加来之国民党军，第43军登陆部队集结于福山、多文地区机动。据此，第43军第127师先遣偷渡团协同第128师主力，于18日在福山以北击溃国民党军暂编第13师等部4个团的进攻，第128师先遣偷渡营趁机占领福山。第40军第118师于19日上午在美台地区歼灭国民党军第64军第156师师部及1个团大部，第119师亦于当日占领加来。至此，解放军攻占福山、多文、加来一线，彻底突破“伯陵防线”。
薛岳第一次进攻失败后，又将第32军第252师主力（2个团）由嘉积（今琼海）车运澄迈，将第63军第90师集中于那大，继续对解放军实行围攻。第756团自三亚空运海口，以第62军第151师由屯昌向澄迈前进，以第62军第153师进至澄迈老城及白莲市，以第64军第153师和第131师集中于临高、美台地区，以第4军根据上述情况，为便于而后夺取海口及后续部队继续登陆，邓华于19日16时指示：“40军即向澄迈前进，负责包围歼灭澄迈之敌。43军即进至美亭东北地区，担任歼灭海口及定安向澄迈增援之敌。”此外，要求第40军以1个营配合琼崖纵队第1、第5总队主力留于西区活动，牵制国民党军第3路军。第43军第128师主力于19日黄昏东进，次日上午即将由定安向澄迈增援的国民党军第252师主力包围于黄竹、美亭地区。第127师先遣登陆团亦于20日8时进至美仁地区，准备打援。
薛岳为解其第252师之围，又急将第62军第163师2个团从琼山车运安仁，以第62军第153师由白莲市向风门岭、茅草山前进，以第252师另1个团向黄竹、美亭前进，对解放军第128师实施反包围，同时命令驻海口的空军出动助战。邓华乃决心将计就计，趁薛岳集中主力围攻第43军登陆部队之机，在美亭、安仁、白莲地区展开一次较大规模的围歼战。于是，命令第43军登陆部队死守阵地，顶住国民党军的进攻，命令第40军不顾疲劳，迅速东进，将进攻第128师的国民党军包围起来。
21日，国民党军第62军等部在飞机的配合下，对平顶山、风门岭、茅草山等第127师阵地发动13次进攻。在琼崖纵队第3总队和独立团的协同下，第127师第379团英勇抗击，该团第1连虽剩10余名伤员，但仍守住了阵地。第128师主力于21日晨攻占黄竹后，即准备歼灭美亭之国民党军第252师主力。当日下午，第40军主力7个团抵达美亭地区，将包围第128师的国民党军包围起来。次日，第40军、第43军的登岛部队和琼崖纵队第3总队及独立团对国民党发动猛攻，国民党军即向海口溃逃。美亭围歼战，全歼国民党军第32军第252师主力，重创第62军等部。接着，第118师一部协同第128师于23日晨在琼山地区歼灭国民党军第62军2个师大部，第128师和第127师先遣登陆团于23日8时占领海口。
海口市解放后，渡海作战兵团第2梯队第43军13个营，于23日19时由三塘港、新地港起渡，次日1时至4时在海口市以西的天尾港（今新海港）登陆。至此，渡海作战兵团主力全部登上海南岛。
鉴于海南岛战况恶化，为避免主力被歼，台湾“国防部”于18、22日先后电令薛岳组织撤退。薛岳遂于22日午后下达了撤退琼南的命令，要第1路军退集乐会、万宁，第2路军取道定安、嘉积，退集陵水、保亭，第3路军退集北黎、昌江、感恩，第4路军和海军、空军退集榆林、三亚地区。薛岳要求台湾务于26日前派船到达榆林港和三所港等地，接运部队撤离。
渡海作战兵团获悉国民党军向琼南撤退，即于24日16时命令两军不顾疲劳，分3路追击，同时指示琼崖纵队配合主力南进。
东路追击部队由第40军主力及第43军第128师组成，沿环岛公路经嘉积、乐会、万宁、陵水向榆林追击。第118师第354团加强营乘坐汽车于24日黄昏从海口出发，26日13时进至龙滚市，将国民党军第252师残部、教导师等部击溃，俘2000余人。第118师主力同时由海口出发，27日在万宁、和乐、乌场港地区击溃国民党军第32军等部2个师，俘3000余人。第119师自云龙市出发，25日在嘉积击溃国民党军第62军第151师，俘800余人，28日进至凌水。第128师自琼山发出，28日进至凌水，截歼国民党军2000余人，29日急行军90公里，途中连打4仗，30日与第119师及琼崖纵队第5总队一起，在榆林、三亚歼灭未及逃跑的国民党军。
西路追击部队为第40军第118师第352团加强营，该部水陆并进，配合中路追击部队向北黎追击。由于风大浪高、船速慢等原因，当部队赶到北黎港时，该港已为第43军部队解放。
中路追击部队由第43军第129师及第127师第380团组成。该部从天尾港登陆后，25日从美亭出发，经澄迈、那大（今儋县）向琼西直追，30日至5月1日在小岭、八所、十所、北黎一带全歼国民党军第4军第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，也就是海南岛全部解放的前三天，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，请起草一个贺电，待榆林港解放时即发表。”
4月30日，当在中华人民共和国首都北京的毛泽东得知海南岛全部解放后，高兴地对秘书说：“从今天起我要连吃三顿红烧肉，你们可不要阻止我呀！”