阵地被突破，大多数解放军战士壮烈牺牲。而75师的225团登陆后，立即向海楼乡区公所驻地进攻。区公所马上组织区武装班迎敌，但因战斗力不强，武装班被击溃。225团直冲尖山，与驻守尖山的解放军展开激战，终因敌强我弱，守岛战士大多血洒战场，少数挂彩后被捕。中午12点后，西半岛全部被胡琏的75师所占领。
更大的悲剧是当日晚间，28军和福建军区闻讯后，不明情況就仓促派出援兵，先后派出步兵249团1营3连、水兵第3团陆战营2个连和83师侦察队两个班，登岛反击。12日拂晓，登岛的陆战营1个排，在岛东南角的一片开阔地上，同已占领该岛的国民党军展开激烈战斗由于国民党军已基本上占领了全岛，解放军登岛部队兵力不足，且三面受敌，虽顽强奋战，不但未奏解危之效，反遭严重伤亡。
12日下午，28军派247团副参谋长石洪贞率2营前往南日岛侦察情况和接回陆战营，以便查明情况后再次组织攻岛，并赋予石副参谋长以机动处置之权。不料该营于18时到达南日岛西北部坑口滩头时，竟改侦察性攻击为强行登陆，投入纵深战斗，致又陷入国民党军优势兵力包围之中，此次战斗，由于领导机关判断情况错误，指挥不当，逐次增兵，遭敌各个击破，造成自身损失1个营、3个连又8个排，计1300余人(国民党损失百人左右）。
台湾方面报道解放军共计援兵为6575部队2营，水兵师陆战营两个连，6573部队二营，分三批增援。登岛后虽奋勇冲杀，毙伤国民党军多人。每次援兵上岛，国民党军都佯作不支，仓皇向后撤退，解放军向前追击，两侧伏兵一齐杀出，包围分批登岛援军，在这种情况下，援军基本都被俘虏，全军覆没，损失1300余人，全岛被蒋军占据。
同时在南日岛附近海面，展开激烈海战，解放军被击沉鱼雷快艇3艘，机帆船3艘，其中一艘满载军火，当场大爆炸。国民党军联阳号猎潜艇负伤。
当福建军区准备再调部队反击时，登岛的国民党军已全部安然撤退。
战斗序列：
国民党军方面：胡琏派遣的汪光尧第75师224、225团，14师41、42团及“南海集训总队”突击大队
解放军方面：三野叶飞下属守岛部队6575部队1连、迫击炮排、重机枪排、团侦察排，以及后续增援部队6575部队2营，水兵师陆战营两个连，6573部队二营等合计超过1，300人。
南日岛之战，是胡琏继金门战役之后，又一重大胜利，国民军集中绝对优势兵力打了一个歼灭战。1952年10月11日，胡琏派遣汪光尧75师共6000余人，乘3艘登陆舰，10条登陆艇在南日岛登陆，登陆后向纵深穿插、分割包围守军，各个击破，守军6575部队1连、迫击炮排、重机枪排、团侦察排全部被歼、被俘虏。
大陆部队不了解情况，犯了极大的错误，分批增援，共计援兵为6575部队2营，水兵师陆战营两个连，6573部队二营，分三批增援。
每次援兵上岛，国民军都佯作不支，仓皇向后撤退，解放军向前追击，两侧伏兵一齐杀出，包围分批登岛援军，在这种情况下，援军基本都被俘虏。
此战解放军共损失1300余人，大多数被俘虏，10月22日押往高雄，随后解抵台北。
南日之战，解放军被俘虏800余人，伤亡500余人，国民军缴获轻武器有冲锋枪、步枪1000余支。
除了缴获全部枪支、弹药外，国民军缴获小炮40门，轻重机枪60余挺，由于国民军方面是集中绝对优势兵力打歼灭战，损失极小，据国民军统计伤亡不到二位数，也就是说在100人之内。
南日岛得手，蒋介石兴奋异常。通电嘉奖；“出师告捷，大获全胜。以大吃小，终有所获。召开祝捷大会，给胡琏授勋，要胡琏在反攻大陆中做出更大贡献。是年12月，蒋介石拟从台湾、金门调动一部兵力进攻福建岛屿，并妄图攻占二三个县。面对严峻形势，中央要求福建军区不要依赖任何外援，以现有兵力粉碎敌军的进攻。彭德怀向周恩来提议，要中央让已调华东局工作的张鼎丞回福建主持党政工作，使叶飞能专心于军事领导。周恩来马上与张鼎丞通了电话，作了任务布置，并在12月26日将此情况告**。28日，**亲自起草文件，以中央和军委名义，向华东局、华东军区、福建省委、福建军区并中南军区发出《加强防备，粉碎国民党军对福建沿海的进攻》的指示。指示对福建军区提出如下要求：
一、迅速地坚决地加强必守岛屿的防御工事，预储充分的粮弹饮水，鼓励守军作长期坚守的准备，不许再犯南日岛那样的错误，否则须予负责者以应得的处罚;二、预计敌攻岛屿的几种可能，决定明确的增援计划;三、预计敌在大陆上某些可能登陆的海岸要点，做好若干非永久的战术性的防御工事。例如最近我以一个排坚守海岸工事，赢得时间，以一个连增援，歼灭了登陆敌人百余那样。这种以排以连以营为单位的战术性的若干防