八月十二天明时分，正在台湾海峡附近的义勇军舰队发现了正向台湾海峡驶来的荷军舰队。在敌舰队距义勇军舰队只有12哩时李海发出了“成两个纵队前进”、“备战”的信号。此时的樊特朗也已经发现了义勇军舰队。自知奇袭厦门计划已经泡汤的樊特朗也命令全体舰队摆出了战斗队型。至此厦门海战正式拉开了序幕。

当荷军战舰调整队型时，义勇军舰队迅速分为两个纵队，在满帆之下赶了过来。上风的纵队由李海指挥，下风的则由陈奇策指挥。按照计划李海向荷军前卫的中央冲去。陈奇策则向敌人后卫部分前段进攻。

待到上午午时，陈奇策已经接近荷兰舰队的后段。荷军提督樊特朗发出了“开火！”的命令。荷军舰“布鲁克威号”率先向陈奇策的旗舰“广州号”射出了第一炮。此时，双方都升起他们的国旗。

就当“布鲁克威号”向“广州号”开炮时，“广州号”仍保持航向不变，直接切进了“布鲁克威号”与另一艘荷兰军舰“马尼拉号”之间。“广州号”用左舷炮轰击“马尼拉号”的船尾，使之遭受重创。接着又对着“布鲁克威号”发射右舷的火炮，此后又驶近“马尼拉号”的右后段，再向它射击。不过陈奇策很快的就发现自己周围都是敌舰。不得不同多艘敌舰陷入了苦战之中。

与此同时义勇军的“飞虎号”也从“布鲁克威号”的后面切入敌线。同“广州号”一样，它也立即为几艘敌舰所包围。当下“飞虎号”号主桅就被炸断，有段时间连一炮都发射不出来。“飞虎号”的船长张蟒在被飞溅的碎片击伤额头后只是用块破布草草的包扎了一下。然后这个海盗出身的船长便亲自将军旗钉到后桅杆上，叫一边骂着一边继续奋战。最后当“飞虎号”被另外三艘义勇军军舰救出时已经成了一个无法控制的船壳。

在“飞虎号”号攻击之后一刻钟，义勇军“新宁号”也投入了战斗。以后其它每一艘义勇军军舰都是以这种方式分别地切入敌线，向首尾两端的敌舰用两侧的舷炮猛击，使每艘敌舰都受到了连续的集中火力。等到陈奇策的最后一艘战舰投入攻击时，已经是下午未时。以“马尼拉号”为首的三艘荷战舰被击沉。另有敌舰“布鲁克威号”等多艘战舰受重创。

在陈奇策纵队开始作战不久之后，李海纵队也投入战斗。与前者不同，它始终保持着不规则的鱼贯形队形。李海亲帅以旗舰“致远号”为首的3艘主力战舰向荷军舰队的前卫中央挺进。就在陈奇策纵队同荷军交火的同时“致远号”的左舷炮开始射击荷军“布鲁克威号”。交火不久，李海便开始寻找起樊特朗的旗舰。就在此时李海发现了有一艘战舰的前桅上挂着总司令的将旗，它就是“因克号”。于是“致远号”冒着敌火，不久即钻到了“因克号”的后方，用其船头上的短炮和侧舷的火炮，向“因克号”的舷窗中猛射，使它受到了极大的损毁。

当“致远号”正在与“因克号”交战时，义勇军战舰“新宁号”号驶向前去，向荷军的“白鲨号”开炮，接着又向“因克号”号射击。不久以后，荷军的“白鲨号”在同“新宁号”交战之后，又转过来协助“因克号”。