为表示中国人民不可侮的严正立场，打击依靠美国势力与祖国为敌的蒋介石政权，毛泽东主席指示华东军区浙东前线指挥部张爱萍将军，要求在近期内解放一江山岛。解放军浙东前线指挥部认真研究中央军委的指示后，确定于1月13日至19日之间，完成三军联合进攻的最后准备。
1月9日，浙东前线指挥部出动三个轰炸机大队百余架“伊留申-28”轰炸机轮番猛烈轰炸上、下大陈岛，使国民党驻军遭到巨大损失。次日，台湾当局急令海军对大陈岛实施运补。夜间，人民解放军海军鱼雷快艇出航，击沉护航的国民党海军巡逻舰“临江”号，并重创另一艘国民党舰只“瀛江”号。正在台北参加表扬大会的国民党军“战斗英雄”、一江山岛防卫司令王生明闻讯后，连夜返回驻地，将守军眷属及妇孺撤至台湾和大陈岛，准备与解放军决一死战。此后一星期，人民解放军海空军频繁出动，不断袭击大陈岛敌方舰艇，国民党军舰在遭到连续的打击后，被迫退出南麂岛外缘，浙海门户洞开。
18日拂晓，由人民解放军第20军60师的四个步兵营组成的登陆部队到达门头山、金门岛待命。8时，空军三个轰炸机大队和两个强击机大队在歼击机掩护下，准时飞抵一江山岛上空，实施第一次火力准备，炸毁了敌气象台、导航台以及115高地炮兵阵地和长达130米的环形围墙，为登陆部队扫除了障碍。与此同时，解放军轰炸机和强击机各一个大队对“大陈防卫司令部”实施破坏性轰炸扫射。8时15分，解放军再次对北江岛的前沿阵地实施火力准备。9时，解放军支援炮兵对一江山岛实施炮火准备。13时16分，我海军舰艇开始破坏性射击；13时至14时，我火箭兵群和直接瞄准炮兵群向预定目标开火。各军种对一江山岛先后进行了七次火力急袭和五次监视射击，发射炮弹1.2万余发，完全摧毁了岛上的指挥系统。
12时15分至13时22分，人民解放军登陆部队第一梯队三个步兵营，分别从高岛、蒋儿岙和头门山岛起航，分两批，成三路防空队形，在护卫舰队的掩护下向一江山岛驶去。距海岸3000米时，护卫舰队及船载57战防炮向守军前沿火力点进行了压制性射击，两个船载火箭炮营也对岛上主要阵地进行了火力齐射，协同航空兵、地面炮兵，掩护登陆输送队成一、二梯队展开。13时55分，大陈岛上的国民党军炮兵突然向解放军登陆部队进行拦阻射击。张爱萍立即命令海岸炮兵和已经升空的轰炸机实施反击。仅五分钟，即把对方打成了“哑巴”。由于人民解放军登陆输送队有空军、炮兵的强大火力保障，另外，大陈岛与台湾的通信联络又被截断，故国民党海空军不敢贸然出动，所以整个航渡进展顺利。
14时整，人民解放军海空军之轰炸机混合编队，对一江山岛守军实施第二次火力准备，船载的10门火箭炮也对北江岛进行了第二次齐射。14时10分至19分，登陆部队第一梯队在火力支持掩护下，以七个突击连28个突击排的兵力完成战斗展开，同时向南、北江岛七个登陆点实施冲击，经过31分钟的激烈战斗，全部到达并占领指定位置。
随后，部队立即向纵深发展。14时5分，担任主攻方向的178团一营的一连和三连占领了中心村。14时50分，一营二连占领了山中村（160高地）。与此同时，该团2营5连在航空兵、炮兵和直接瞄准火炮的支持下，一举攻占了望村，并向203高地攻击前进。15时5分，五连突入203高地，占领国民党军一江山岛防卫司令部。敌司令王生明被炸死，第四突击大队长王辅弼被俘。南江岛的进攻部队，以180团二营的五连、七连为第一梯队。15时5分，解放军在海军舰艇的火力支持下攻占了160高地。15时48分，接替第一梯队战斗任务的六连、八连，一举攻占了敌核心阵地180高地。
解放一江山岛的主要战斗，自登陆突破算起，仅三个小时便结束了，而后即由178团三营接手，进入了扫尾阶段。19日2时，三营肃清全部残敌，一江山岛获得了彻底解放。此役，共歼灭国民党守军1086人，其中击毙守岛司令王生明以下519人，生俘守岛第四突击大队长王辅弼以下567人，击沉国民党军舰3艘、击伤4艘，缴获各种火炮53门、火箭筒27具、轻机枪68挺，各种枪834支以及大批弹药和军用物资。解放军登陆部队也付出了较大的代价。
一江山岛渡海登陆作战，是解放军首次陆、海、空三军联合渡海登陆作战。它标志着人民解放军的现代化水平有了显著提高。张爱萍日后总结说：“人民解放军解放浙东沿海诸岛，特别是解放一江山岛的战役，是第一次组织实施陆海空三军联合作战。那时，我们没有这方面的经验，这个仗怎么打？我们没有照套苏军的条条框框，也没有按照欧美那一套，而是从实际情况出发，经过周密的筹划、计算，确定了自己的打法，结果打胜了。”