在護航炮船隊的掩護下，經過7個多小時的航行，渡海船隊突破國民黨軍的海上封鎖，在瓊崖縱隊第1、第3總隊和2個軍先遣偷渡團的接應下，於17日3時開始登陸，第43軍第128師主力在玉抱港、雷公島一線登陸，第40軍主力在新村、臨高角地段登陸。至6時，兩軍全部登陸完畢。
第40軍部隊上岸後，擊潰國民黨軍第64軍第131師2個團，連克9座地堡群，奪取灘頭陣地。與此同時，島上第118師先遣偷渡團於拂曉佔領守軍核心陣地臨高山（今高山嶺），掩護登陸部隊集結。第43軍第128師主力登陸後，攻佔才芳嶺、玉抑港、橋頭等據點，殲滅守軍1200人，並包圍了花場港。島上第127師先遣偷渡團於拂曉進至福山以北地區，與第128師主力會合。
蔣介石於1950年3月在台灣復任「總統」後，鑒於自己的殘餘部隊已撤至沿海各島嶼和解放軍正準備發起大規模渡海作戰的形勢，決定集中兵力確保台灣，必要時放棄舟山及海南各島。解放軍渡海兵團大舉登上海南島後，薛岳急將暫編第13師自三江車運福山，配合第62軍第151師第453團向解放軍第43軍登陸部隊進攻，以第64軍第156師及第131、第159師各1個團向臨高增援，向解放軍第40軍登陸部隊進攻，企圖乘解放軍立足未穩而殲滅之。
根據國民黨軍準備同解放軍在瓊北決戰的徵候，為在運動中殲滅國民黨軍有生力量，鄧華於4月17日晚電令第40軍登陸部隊包圍美台、加來之國民黨軍，第43軍登陸部隊集結於福山、多文地區機動。據此，第43軍第127師先遣偷渡團協同第128師主力，於18日在福山以北擊潰國民黨軍暫編第13師等部4個團的進攻，第128師先遣偷渡營趁機佔領福山。第40軍第118師於19日上午在美台地區殲滅國民黨軍第64軍第156師師部及1個團大部，第119師亦於當日佔領加來。至此，解放軍攻佔福山、多文、加來一線，徹底突破「伯陵防線」。
薛岳第一次進攻失敗後，又將第32軍第252師主力（2個團）由嘉積（今瓊海）車運澄邁，將第63軍第90師集中於那大，繼續對解放軍實行圍攻。第756團自三亞空運海口，以第62軍第151師由屯昌向澄邁前進，以第62軍第153師進至澄邁老城及白蓮市，以第64軍第153師和第131師集中於臨高、美台地區，以第4軍根據上述情況，為便於而後奪取海口及後續部隊繼續登陸，鄧華於19日16時指示：「40軍即向澄邁前進，負責包圍殲滅澄邁之敵。43軍即進至美亭東北地區，擔任殲滅海口及定安向澄邁增援之敵。」此外，要求第40軍以1個營配合瓊崖縱隊第1、第5總隊主力留於西區活動，牽制國民黨軍第3路軍。第43軍第128師主力於19日黃昏東進，次日上午即將由定安向澄邁增援的國民黨軍第252師主力包圍於黃竹、美亭地區。第127師先遣登陸團亦於20日8時進至美仁地區，準備打援。
薛岳為解其第252師之圍，又急將第62軍第163師2個團從瓊山車運安仁，以第62軍第153師由白蓮市向風門嶺、茅草山前進，以第252師另1個團向黃竹、美亭前進，對解放軍第128師實施反包圍，同時命令駐海口的空軍出動助戰。鄧華乃決心將計就計，趁薛岳集中主力圍攻第43軍登陸部隊之機，在美亭、安仁、白蓮地區展開一次較大規模的圍殲戰。於是，命令第43軍登陸部隊死守陣地，頂住國民黨軍的進攻，命令第40軍不顧疲勞，迅速東進，將進攻第128師的國民黨軍包圍起來。
21日，國民黨軍第62軍等部在飛機的配合下，對平頂山、風門嶺、茅草山等第127師陣地發動13次進攻。在瓊崖縱隊第3總隊和獨立團的協同下，第127師第379團英勇抗擊，該團第1連雖剩10餘名傷員，但仍守住了陣地。第128師主力於21日晨攻佔黃竹後，即準備殲滅美亭之國民黨軍第252師主力。當日下午，第40軍主力7個團抵達美亭地區，將包圍第128師的國民黨軍包圍起來。次日，第40軍、第43軍的登島部隊和瓊崖縱隊第3總隊及獨立團對國民黨發動猛攻，國民黨軍即向海口潰逃。美亭圍殲戰，全殲國民黨軍第32軍第252師主力，重創第62軍等部。接著，第118師一部協同第128師於23日晨在瓊山地區殲滅國民黨軍第62軍2個師大部，第128師和第127師先遣登陸團於23日8時佔領海口。
海口市解放後，渡海作戰兵團第2梯隊第43軍13個營，於23日19時由三塘港、新地港起渡，次日1時至4時在海口市以西的天尾港（今新海港）登陸。至此，渡海作戰兵團主力全部登上海南島。
鑒於海南島戰況惡化，為避免主力被殲，台灣「國防部」於18、22日先後電令薛岳組織撤退。薛岳遂於22日午後下達了撤退瓊南的命令，要第1路軍退集樂會、萬寧，第2路軍取道定安、嘉積，退集陵水、保亭，第3路軍退集北黎、昌江、感恩，第4路軍和海軍、空軍退集榆林、三亞地區。薛岳要求台灣務於26日前派船到達榆林港和三所港等地，接運部隊撤離。
渡海作戰兵團獲悉國民黨軍向瓊南撤退，即於24日16時命令兩軍不顧疲勞，分3路追擊，同時指示瓊崖縱隊配合主力南進。
東路追擊部隊由第40軍主力及第43軍第128師組成，沿環島公路經嘉積、樂會、萬寧、陵水向榆林追擊。第118師第354團加強營乘坐汽車於24日黃昏從海口出發，26日13時進至龍滾市，將國民黨軍第252師殘部、教導師等部擊潰，俘2000餘人。第118師主力同時由海口出發，27日在萬寧、和樂、烏場港地區擊潰國民黨軍第32軍等部2個師，俘3000餘人。第119師自雲龍市出發，25日在嘉積擊潰國民黨軍第62軍第151師，俘800餘人，28日進至凌水。第128師自瓊山發出，28日進至凌水，截殲國民黨軍2000餘人，29日急行軍90公里，途中連打4仗，30日與第119師及瓊崖縱隊第5總隊一起，在榆林、三亞殲滅未及逃跑的國民黨軍。
西路追擊部隊為第40軍第118師第352團加強營，該部水陸並進，配合中路追擊部隊向北黎追擊。由於風大浪高、船速慢等原因，當部隊趕到北黎港時，該港已為第43軍部隊解放。
中路追擊部隊由第43軍第129師及第127師第380團組成。該部從天尾港登陸後，25日從美亭出發，經澄邁、那大（今儋縣）向瓊西直追，30日至5月1日在小嶺、八所、十所、北黎一帶全殲國民黨軍第4軍第286師等部。至此，海南島戰役遂告結束。
在北京，毛澤東始終密切關注著海南島戰役進展情況，4月28日，也就是海南島全部解放的前三天，他給胡喬木同志寫了一封信：「喬木同志：海南島即將全部解放，請起草一個賀電，待榆林港解放時即發表。」
4月30日，當在中華人民共和國首都北京的毛澤東得知海南島全部解放後，高興地對秘書說：「從今天起我要連吃三頓紅燒肉，你們可不要阻止我呀！」