Đầu tháng 3 năm 1988, hải quân Trung Quốc cho nhiều tàu chiến khiêu khích và chiếm đóng đá Chữ Thập và Châu Viên. Phía Việt Nam cũng nhanh chóng phản ứng. Chiều ngày 11 tháng 3, tàu HQ 604 (thuyền trưởng Vũ Phi Trừ) rời quân cảng Cam Ranh đưa vật liệu để xây dựng nhà cao chân trên đảo đá chìm Gạc Ma. Các tàu HQ 505 (thuyền trưởng Vũ Huy Lễ), HQ 605 (thuyền trưởng Lê Lệnh Sơn), cũng nhận lệnh tương tự, đưa công binh bảo vệ đảo Cô Lin, Len Đao. Thiếu úy Trần Văn Phương được bổ nhiệm làm Phó chỉ huy trưởng đá Gạc Ma (thuộc cụm đảo Sinh Tồn của quần đảo Trường Sa), chỉ huy tổ bảo vệ cờ gồm ông và 4 chiến sĩ khác là Nguyễn Mậu Phong, Đậu Xuân Tư, Lê Hữu Thảo và Hoàng Văn Chúc, chịu trách nhiệm đổ bộ từ tàu HQ 604 lên đảo chìm, cắm quốc kỳ và giữ cờ chủ quyền trên đá Gạc Ma.[1]

Rạng sáng ngày 13 tháng 3, tàu HQ 604 đến điểm thả neo cách đảo Gạc Ma chừng 100 mét. Các tàu Trung Quốc lập tức vây quanh và bắc loa yêu cầu bộ đội Việt Nam rời khỏi cụm đảo. Rạng sáng ngày 14 tháng 3, tổ bảo vệ cờ do Thiếu úy Trần Văn Phương đổ bộ lên đảo chìm để cắm cờ. Cùng lúc đó, nhóm công binh của Trung đoàn công binh 83 cũng vận chuyển vật liệu đưa xuống xuồng vào đảo Gạc Ma để làm nhà cao chân. Tuy nhiên, phía Trung Quốc ngay lập tức đều động 4 xuồng máy chở khoảng hơn 50 lính vũ trang, đổ bộ lên đảo, dùng vũ lực nhổ cờ Việt Nam.[1]

Khi quân Trung Quốc xông vào cướp cờ, Trần Văn Phương cùng các chiến sĩ thuộc quyền lao vào giằng giật lại. Các chiến sĩ công binh cũng lao vào hỗ trợ, với cuốc, xẻng, gạch đá giao chiến để tránh gây cớ bùng nổ xung đột vũ trang. Tuy nhiên, trong lúc giành giật, lính Trung Quốc đã nổ súng, bắn chết Thiếu úy Trần Văn Phương và 2 chiến sĩ Nguyễn Mậu Phong, Đậu Xuân Tư. Hạ sĩ Nguyễn Văn Lanh thuộc Trung đoàn Công binh 83 cũng bị lính Trung Quốc đâm trọng thương. Các tàu Trung Quốc sau đó nã đạn bắn chết và trọng thương các chiến sĩ trên đá Gạc Ma. Khi tàu HQ 604 tìm cách tiếp cận đảo, tàu Trung Quốc cũng nã pháo bắn chìm. Thuyền trưởng Vũ Phi Trừ và chỉ huy trưởng cụm đảo Sinh Tồn Trần Đức Thông cùng một số thủy thủ hy sinh theo tàu.[1]

Sau khi hy sinh, thi hài Thiếu úy Trần Văn Phương được các đồng đội tìm cách đưa về tàu HQ-505 đang nằm trên bãi đá Cô Lin cách đó 3,5 hải lý. Ông được chôn cất tại đây cho đến tận năm 1993, người em trai thứ của ông là Trần Văn Hồng mới đưa được hài cốt ông về chôn cất tại nghĩa trang liệt sỹ xã Quảng Phúc.

Tuy phía Việt Nam đã bảo vệ thành công 2/3 điểm tranh chấp là Cô Lin và Len Đao, nhưng phía Trung Quốc cũng đã giành được quyền kiểm soát thực tế đá Gạc Ma từ ngày 14 tháng 3 năm 1988 đến nay. Phía Việt Nam không công nhận quyền kiểm soát này và liên tục phản đối cho đến tận ngày nay.