国民党不甘心失败，命令多艘敌舰从台湾起航增援。增援敌舰到达后，连日在外海游弋，炮击解放军已占各岛和输送船队。27日，在查明敌舰艇活动航线后，解放军江防部队舰艇借助夜幕隐蔽驶抵三门岛海湾，设下伏兵，与三门岛岛上炮兵部队密切配合，准备迎击敌舰艇。当敌人舰艇10艘驶入伏击圈后，解放军海陆同时出击，激战5小时，击沉、击伤敌舰8艘，赢得了战斗胜利。国民党海军自三门岛海战失败后仓皇遁去，解放军登陆部队乘胜占领外伶仃岛、担杆岛，8月4日又攻克直湾、北尖和庙湾等岛，8月7日，整个战役胜利结束。
万山群岛的解放，打破了国民党军对珠江口的海上封锁，对于巩固华南海防、保证海上渔业生产和交通运输的安全具有重要意义，并为解放军日后的陆海联合作战提供了宝贵经验。
