队未能登陆的一个半连，以及师直属队3个连，上岛与第一梯队共同战斗，先后歼灭蒋军3200余人，但自己也伤亡很大。战斗呈胶着状态。
由于登步岛上蒋军处于绝对优势，而且还在不断增加，解放军登陆部队处境困难，胡炜深感自己肩上责任重大：撤退失败，将会成为千古罪人；撤退成功也仅是个“败将”。最后，他完全摆脱了个人得失的考虑，果断地下了撤退的决心，亲笔起草了“情况紧张，今晚撤出战斗”这一简短的电报，—面将决心上报22军并21军，一面立即组织撤退，同时通知留守桃花岛的副政委李清泉组织所有船只，天一黑即来登步岛撤运部队。5日一天，部队在流水岩山、竹山、野猪塘山东北侧一线，击退敌人十多次进攻，还在阵前小型出击中还抓了一些俘虏。遂于5日晚开始主动撤离。师长胡炜、副参谋长王超在渡口指挥，按伤员、烈士遗体、机关、部队的顺序登船；指挥所和师首长与掩护分队最后撤离。在他们登船时，又把仅有的救生衣留下来给后面的同志。撤退过程中，解放军无一伤亡。
登步岛战斗，解放军以5\/6个营的兵力，连续恶战50多个小时，抗击了有海空支援的近7个团30余次进攻，毙伤俘敌3000人，敌三个团长均被我击伤，还带回俘虏数百名。我军伤亡千人，但没有丢弃一个伤员。惟一一个在战斗中失去联系的战士傅祥明，在发现部队已经撤退后，宁死也不愿当俘虏，抱了一根竹竿跳进大海，漂到一个礁石上，靠吃小蟹和小葱度过10个昼夜，最后被救归队。
此战暴露出当时解放军在势如破竹取得大量胜利后，普遍存在的领导层急躁冒进、轻视残敌、部队随意配属，指挥沟通不畅（22军竟然未通报61师金门战败的消息）和缺乏合成军立体作战思想（未出动海空军或船只迷惑敌人，使敌迅速判断出登步岛进攻非佯攻，从而敢于很快从各岛抽调援兵扭转战局）等问题。由于未完成夺岛目标，中华人民共和国方面长期认为登步岛战斗是一次败仗，除战史讲授外，基本不在军内外宣传。但近来随着政治意识形态观念淡化，一些学者指出，登步岛战斗指挥员在尚不知晓金门战败及其细节的情形下，不计个人得失，保全了军队，以劣势兵力歼灭敌人大量有生力量，并在登陆战中完成使主力部队无一伤亡、全身而退的极其困难的动作，
战斗序列
中华民国
总指挥：朱致一\/刘廉一
中华民国陆军
87军，军长朱致一
87军221师，师长吴渊明
87军221师66l团，代理团长吴锡麟
87军221师662团（欠第2营），团长陈谦
87军221师直属部队
67军，军长刘廉一
67军75师224团，团长萧宏毅
67军67师199团，团长汪敬熙（6日拂晓前抵达未参加作战）
67军67师200团，团长颜珍珠
67军67师201团，团长李向辰
67军军部警卫营
中华民国海军
舰艇6艇
中华民国空军
战机114架次
中国人民解放军
总指挥：胡炜
21军61师，师长兼政委胡炜
21军61师182团，团长陶继藩，政委程祖光
21军61师183团，团长杜绍三，政委刘传新
21军61师侦察连
21军61师警卫连
21军61师九二步炮连
华东军区海军第一纵队，司令员张元培