Trong trận đánh đêm 10 tháng 5 năm 1971, Nguyễn Chất Xê cùng tổ vào sát mục tiêu nhưng chưa áp được thuốc nổ vào tầu địch thì bị lộ. Địch cho tầu, thuyền máy bao vây, lùng sục bắn súng, ném lựu đạn xuống nước và kêu gọi đầu hàng. Đồng chí lệnh cho tổ viên bí mật vượt vòng vây của địch, còn Nguyễn Chất Xê vẫn bình tĩnh ném lựu đạn lên tầu diệt địch, thu hút hỏa lực địch về phía mình, tạo thuận lợi cho đồng đội vượt khỏi vòng vây địch an toàn. Mặc cho hỏa lực địch bắn dữ dội về phía mình, đồng chí vẫn bình tĩnh cho hủy khối thuốc nổ để giữ được bí mật của vũ khí và anh dũng hy sinh.