10月13日，六十一师师长胡炜、副政委李清泉等师首长率一八二团、一八三团的营以上干部，在当地群众的帮助下，秘密地沿虾峙岛从北到南，又从南到北，察看了桃花岛的情况，调查了虾峙岛至桃花岛间的海情。
桃花岛是舟山群岛南侧的一个较大岛屿，面积41平方公里，全岛多山，北宽南狭，像个大葫芦飘在大海上。从六横和虾峙等地败退下来的敌人正在构筑工事，但防御体系尚未形成。
大家调查研究之后，六十一师首长决定乘敌立足未稳、防备又松懈的情况下，于10月18日晚发起登陆战，以突然行动迅速攻占桃花岛。
在部署上，六十一师决定采取中央突破、侧翼配合的战法，其作战方案如下：以一三八团十营、三营和一八二团一营为第一梯队，一八三团一营为第二梯队；以二营和三营为解放桃花岛的主攻营，要求他们在钟家、磨盘沙地区同时登陆后，二营集中力量首先攻占蚂蝗岗，尔后主力直插大佛头，控制栲树湾渡口；三营首先歼灭外湾、大小黄沙之敌后，主力迅速向鹰嘴岩山进攻，然后直插外茅草岙渡口，断敌退路，阻敌增援；一八二团一营在仙人桥地区登陆后，集中兵力攻占对峙山，以积极行动支援二营、三营穿插，一八三团一营在西嘴头地区登陆，随时准备从二营左翼加入战斗，负责歼灭兰田和茅山庙地区之敌，尔后迅速向菲菜山地区发起攻击。团长杜绍山率团指挥所随三营跟进。
刚刚获得解放的虾峙岛人民，听说解放军要解放桃花岛，纷纷献出船只，还要求当船工。有的渔民原先怕国民党军队抢船，就把船埋入海滩，或者沉到海里。这时，他们主动把船打捞出来，装配好献给了解放军。
短短3天时间，虾峙岛渔民就装配了70艘渔船。军民齐心协力，六十一师仅用10天功夫，就完成了攻占桃花岛的战前准备工作。
当地人民还纷纷自愿报名要求当船的向导，决心把解放军部队送往桃花岛。群众的支持给指战员以莫大的鼓舞，个个摩拳擦掌，战斗情绪异常高涨。
10月18日16时40分，六十一师炮兵开始向桃花岛连续发射炮弹。19时，六十一师登陆突击部队4个营从虾峙岛一线开始出发，在漆黑的夜里，向桃花岛挺进。
当一八三团二、三营的船队行至距桃花岛约80米的时候，被岸上守敌发现，进而遭到敌人炮火猛烈阻击。各船队马上组织兵力进行还击，而且大家用铁锹划水，继续加速向桃花岛行进。
经10分钟的激烈战斗，一八三团二、三营突破了敌前沿阵地。二营攻占了磨盘沙，歼敌两个排，紧接着又将固守蚂蝗岗的敌人1个营消灭大半部分。
而三营先头部队在登陆后，遭到驻守外湾、钟家敌人的猛烈阻击，解放军冒着敌人的枪林弹雨，一面组织火力压制，一面继续向纵深地带挺进，很快就突破了敌人的防线，直插外茅草贡渡口，切断了敌人的退路。
在同一时间，一八二团一营在仙人桥地区登陆，迅速攻占了鱼米洋一线，之后占领了对峙山，击毙了70个敌人，然后转为团预备队。
在另一路，一八三团一营战士们于西嘴头以西地区登陆以后，迅速向茅草山庙方向前进。在歼灭该地区的敌人之后，一营第一、三连直插韭菜山渡口，二连向拷树湾方向进攻敌人。
19日零时20分，奉命向韭菜山地区攻击前进的一八三团二营，以最快的速度控制了韭菜山渡口和拷树湾渡口，将残敌压缩到蚂蝗坑以北地区。
10月19日2时23分，当一八三团三营进到倒鸡头南侧的时候，获悉鹰嘴岩山的敌人向韭菜山渡口逃跑，营长马上令三营七连务必以最快的速度把这股敌人消灭掉，之后，七连占领了鹰嘴岩山高地。
10月19日4时许，东边的天空蒙蒙亮的时候，桃花岛上的最后一股残敌在一八三团三营各作战部队的追击下，一路拼命逃窜，样子及其狼狈，后来被解放军包围在蚂蝗坑以北凹地一带，
在一八三团三营的统一号令下，第四、七、九连一起向敌发起猛烈地攻击，无奈之下，敌人被迫缴械投降，有300多名残敌做了俘虏。
到这时，桃花岛成功被解放军占领了，岛上的国民党守敌全部被全歼。战役结束后，三野第七兵团给六十一师的电报指出：桃花岛战斗，是“抓紧时机、大胆突击、以迅速果断的动作，实行穿插、获得胜利的典范”。
三野七兵团经过4个月的准备和连续作战，到10月23日，解放了金塘、大榭、梅山、六横、桃花等舟山岛屿，打乱了舟山守敌的外围防御体系，并打开了进攻舟山本岛的大门。
鉴于舟山本岛与大陆之间的岛屿已多数被解放军占领，敌人又重新调整了部署，成立了舟山指挥所，国民党八十七军只得收缩到沈家门、登步岛地区。