เช้าวันที่ 17 มกราคม ฝรั่งเศสได้ส่งกำลังทางเรือส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในอินโดจีนในบังคับบัญชาของนาวาเอกบรังเยร์เข้ามาในน่านน้ำไทยทางด้านเกาะช้าง ด้วยความมุ่งหมายที่จะระดมยิงหัวเมืองชายทะเล ทางภาคตะวันออกของประเทศไทย เป็นประการสำคัญ เพื่อกดดันให้กำลังทหารของไทยที่รุกข้ามชายแดนต้องถอนกำลังกลับมา

กำลังทางเรือของฝรั่งเศสได้อาศัยความมืด และความเร็วรุกล้ำเข้ามาทางด้านใต้เกาะช้าง มีจำนวนด้วยกันทั้งหมด 7 ลำ คือ เรือลาดตระเวนลามอตต์ปิเกต์ เรือสลุป 2 ลำ เรือปืน 4 ลำ เรือเหล่านี้ได้แยกออกเป็น 3 หมู่ หมู่ที่ 1 มี เรือลามอตต์ปิเกต์ลำเดียวเข้ามา ทางช่องด้านใต้ระหว่างเกาะคลุ้มกับเกาะหวาย หมู่ที่ 3 มีเรือสลุป 1 ลำ กับเรือปืนอีก 3 ลำ เข้ามาทางช่องด้านตะวันตก ระหว่างเกาะคลุ้มกับแหลมบางเบ้า เกาะช้าง ส่วนเรือดำน้ำ และเรือสินค้าติดอาวุธ คงรออยู่ด้านนอกในทะเล และไม่ได้เข้าทำการรบ

เวลา 06:05 น. เครื่องบินตรวจการณ์ฝรั่งเศสแบบ Potez จากฐานทัพเมืองเรียมในกัมพูชา บินตรวจการผ่านกองเรือไทยและยืนยันตำแหน่งเรือตอร์ปิโดไทยสองลำ เนื่องจากในคืนนั้นเรือหลวงชลบุรีพึ่งเดินทางมาถึงเพื่อเปลี่ยนผลัดกับเรือหลวงสงขลาซึ่งมีกำหนดการกลับไปฐานทัพเรือสัตหีบ สร้างความประหลาดใจให้แก่ฝ่ายฝรั่งเศส เพราะรายงานก่อนหน้าระบุจำนวนเรือตอร์ปิโดไทยเพียงลำเดียว

เวลา 06:10 น. เครื่องบินทะเลฝรั่งเศสแบบลัวร์ 130 ทำการทิ้งระเบิดโจมตีเรือตอร์ปิโดไทยแต่ถูกยิงตกด้วยปืนต่อสู้อากาศยาน เรือฝรั่งเศสรู้จำนวนเรือไทยจึงเดินหน้าเข้าตีตามแผน แต่กองเรือไทยเริ่มไหวตัวแล้ว และได้โหมเร่งความดันไอน้ำเพื่อเตรียมปฏิบัติการ เมื่อสังเกตเห็นข้าศึกอยู่ในพิสัย เรือหลวงสงขลาจึงเปิดฉากยิงต่อสู้กับเรือลามอตต์ปิเกต์ที่มีอาวุธหนักกว่ามากแต่ไม่มีมุมยิงตอร์ปิโด เนื่องจากเรือหลวงสงขลาจอดโดยหันหัวเรือไปทางฝั่งเกาะช้าง กระสุนจากเรือลามอตต์ปิเกต์ทำความเสียหายแก่เรือหลวงสงขลา เกิดไฟไหม้กลางลำเรือ น้ำทะลักเข้าตัวเรือ ยุ้งกระสุนน้ำท่วม ลูกเรือเสียชีวิตและบาดเจ็บจำนวนมาก นาวาตรีชั้น สิงหชาญ ผู้บังคับการเรือหลวงสงขลา สั่งสละเรือใหญ่ เวลา 06:45 น. หลังจากยืนหยัดทำการรบได้ 35 นาที

ในขณะเดียวกัน เรือหลวงชลบุรีได้ทำการยิงต่อสู้กับหมู่เรือสลุปของฝรั่งเศสที่ตรงเข้ามารุมโจมตีถูกกระสุนที่ท้ายเรือและกลางเรือ เกิดระเบิดไฟลุกไหม้ ลูกเรือเสียชีวิตและบาดเจ็บหลายนาย เรือเอกประทิน ไชยปัญญา ผู้บังคับการเรือหลวงชลบุรี สั่งสละเรือใหญ่เวลา 06:53 น. หลังจากยืนหยัดทำการรบได้ประมาณ 40 นาที ซึ่งภายหลังมีรายงานจากฝ่ายไทยว่ากองเรือฝรั่งเศสได้กระทำการผิดธรรมเนียมการรบทางทะเล โดยใช้ปืนกลกราดยิงทหารเรือไทยที่ลอยคออยู่ในทะเลอีกด้วย

เวลา 06:20 น. นาวาโท หลวงพร้อมวีระพันธ์ ผู้บังคับการเรือหลวงธนบุรี สั่งถอนสมอและเคลื่อนลำประจำสถานีรบ และสั่งให้เรือหลวงหนองสาหร่ายและเรือหลวงเทียวอุทกซึ่งเป็นเรือเล็กให้ถอนตัวออกไปจากสมรภูมิ

เวลา 06:38 น. เรือหลวงธนบุรีประจันหน้าเข้ากับกองเรือฝรั่งเศสและทำการยิงตอบโต้กับเรือลามอตต์ปิเกต์ที่ระยะ 10,000 เมตร การรบเป็นไปอย่างหนักขึ้นเรื่อยๆ เมื่อหมู่เรือสลุปของฝรั่งเศสเข้าทำการร่วมรบรุมยิงเรือหลวงธนบุรีด้วย กระสุนนัดหนึ่งจากเรือลามอตต์ปิเกต์ได้ตกใต้สะพานเดินเรือและเกิดระเบิดขึ้น ทำให้ผู้บังคับการเรือหลวงธนบุรีรวมทั้งนายทหารเสียชีวิตและบาดเจ็บสาหัสหลายนาย ส่งผลให้การบังคับบัญชา สื่อสาร และควบคุมหยุดชะงัก ระบบถือท้ายเสียหายบังคับทิศทางไม่ได้

เวลา 07:15 น. ผลจากการถูกรุมยิงทำให้เกิดไฟไหม้ใหญ่ขึ้นบนเรือหลวงธนบุรี แต่ทหารบนเรือไทยที่เหลือเพียงลำเดียวยังคงทำการยิงต่อสู้ โดยสลับเปลี่ยนเป้าหมายไปที่เรือฝรั่งเศสทั้งสามลำ เมื่อระบบถือท้ายเสียหาย ป้อมปืนไม่ทำงาน (ทหารฝ่ายไทยต้องใช้วิธีการหมุนป้อมปืนด้วยมือเอง) ทำให้การยิงโต้ตอบของเรือหลวงธนบุรีเป็นไปอย่างยากลำบาก แต่ถึงกระนั้นก็ยังสร้างความเสียหายให้แก่เรือลามอตต์ปิเกต์ได้ในที่สุด

เวลา 07:40 น. มีเครื่องบิน 1 ลำบินเข้ามาทิ้งระเบิดทะลุดาดฟ้าเรือหลวงธนบุรี มีลูกเรือเสียชีวิต3นายและบาดเจ็บจำนวนหนึ่ง ในขณะที่เรือทั้งหมดยังทำการรบอย่างติดพัน ป้อมปืนที่เหลือของเรือหลวงธนบุรีไม่สามารถยิงได้อย่างแม่นยำเนื่องจากไม่อาจบังคับเรือได้ตรงทิศทาง เรือหลวงธนบุรีได้แล่นลำเข้าสู่บริเวณน้ำตื้น กองเรือรบฝรั่งเศสจึงได้ส่งสัญญาณถอนตัวจากการรบ

เวลา 07:50 น. หลังจากถอนตัวจากการรบ เรือลามอตต์ปิเกต์ได้ยิงตอร์ปิโดอีกชุดเข้าหาเรือหลวงธนบุรีที่ระยะ 15,000 ม. แต่พลาดเป้า ในขณะที่เรือหลวงธนบุรียังทำการยิงต่อสู้อย่างต่อเนื่อง และในที่สุดเรือทั้งหมดได้เคลื่อนออกนอกพิสัยทำการรบ

เวลา 08:20 น. เรือหลวงธนบุรีหยุดยิง

เวลา 08:40 น. นาวาเอกเรจี เบรังเยร์ ออกคำสั่งให้กองเรือฝรั่งเศสมุ่งหน้ากลับฐานทัพ เนื่องจากเกรงกำลังหนุนของไทย โดยเฉพาะเรือดำน้ำ เนื่องจากฝ่ายไทยรู้ตัวแล้ว ในเวลาเดียวกัน หมู่บินที่ 2 แบบ Hawk 3 จากกองบินจันทบุรีได้มาถึงและทำการทิ้งระเบิดโจมตีเรือฝรั่งเศส แต่ถูกสกัดด้วยปืนต่อสู้อากาศยานอย่างหนัก ระเบิดลูกหนึ่งตกลงบนเรือลามอตต์ปิเกต์ แต่ไม่ระเบิด ในเวลา 09:40 น. ฝูงบินทิ้งระเบิดบ่ายหน้ากลับ ทำให้กองเรือฝรั่งเศสหลุดรอดออกไปได้ และมุ่งหน้ากลับไปไซ่ง่อน