Đường Nguyễn Du giao với phố Hàng Kèn ở ngã năm dốc Hàng Kèn. Phía bắc là đường Trần Quốc Toản. Cả bốn phía đều có nhà dân nằm sát nhau, riêng phía nam thưa hơn. Đường duy nhất để xe tăng, xe thiết giáp của địch có thể tiếp cận là đường Nguyễn Du, theo dốc Hàng Kèn đến và từ phía đông theo đường Lê Văn Hưu sang. Tháng 11 năm 1946, cơ quan Bộ Tổng Tham mưu bí mật chuyển về Thái Hà rồi chuyển xuống Trúc Sơn.
Một trung đội của Tiểu đoàn 77 được giao bảo vệ trụ sở, gồm có ba tiểu đội, mỗi tiểu đội có từ 5 đến 6 súng trường và đạn (phần lớn là tự tạo) còn lại là mác, mã tấu. Toàn trung đội có một khẩu trung liên với khoảng 200 viên đạn, một quả bom ba càng. Ngay từ sau tiếng súng mở màn toàn quốc kháng chiến trụ sở Bộ Tổng Tham mưu đã trở thành vị trí sơ cứu thương binh của Tiểu đoàn 77, nhiều thương binh và người dân bị thương được chuyển về đây. Do đó, trận chiến đấu ở đây ngoài nhiệm vụ tiêu diệt, tiêu hao, giam chân địch một thời gian còn lại nhiệm vụ bảo vệ thương binh, tạo điều kiện để chuyển thương binh về phía sau.
Trước khi trận đánh diễn ra, ngày 21 tháng 12, lực lượng Vệ quốc đoàn cùng tự vệ đã bao vây và tiểu diệt một tổ do thám của Pháp vốn được cài từ trước ở ngay bên cạnh trụ sở Bộ Tổng Tham mưu để theo dõi hoạt động của ta. Ngày 22, địch dùng lực lượng nhỏ từ hai hướng đông và tiến công thăm dò, bị ta chặn đánh nên phải rút.
Sáng 23 tháng 12 năm 1946, địch mở cuộc tiến công lớn đánh chiếm trụ sở Bộ Tổng Tham mưu. Khoảng 8 giờ, địch liên tiếp bắn súng cối vào trụ sở và dọc đường Nguyễn Du, cho trọng liên 12 ly 7 và 13 ly 2 từ ngã năm Hàng Kèn bắn mãnh liệt vào các vị trí nghi có quân ta phòng ngự. Tiếp đó, từ hai hướng địch triển khai lực lượng tiến công ta. Trên hướng chủ yếu địch sử dụng bốn xe tăng và xe thiết giáp cùng một đại đội lê dương mũ đỏ tiến công. Khẩu trung liên của ta đã phát huy tác dụng. Các chiến sĩ ta vừa cơ động theo chiến hào dùng súng trường diệt địch, vừa nghi binh làm cho địch tưởng quân ta đông. Sau đợt tiến công không thành, địch dùng hỏa lực tiếp tục bắn dồn dập. Nhờ có nhiều chiến hào và công sự nên ta bảo toàn được lực lượng.
Tiếp đó, địch cho xe tăng yểm trợ bộ binh từ ngã năm dốc Hàng Kèn tiến sang đường Nguyễn Du nhưng gặp các hố và công sự của ta nên phải dừng lại. Một chiến sĩ ôm bom ba càng đâm thẳng vào sườn xe tăng địch, làm xe đứt xích, dùng lại. Cùng thời điểm, một tên đại uý địch lái xe jeep theo dốc Hàng Kèn định tiến đến ngã năm thì bị trung liên của ta bắn chết. Bốn tên khác định lên lấy xác cũng bị tiêu diệt. Trên hướng thứ yếu phía đông, một đại đội đường dịch có xe tăng dẫn đầu từ đường Nguyễn Công Trứ và đường Lê Văn Hưu đánh sang bị bộ đội và tự vệ ta chặn lại nên không tiến tiếp được.
Khoảng 11 giờ, một bộ phận địch lọt được vào ngôi nhà gỗ ở phía tây, định tiến đánh ngôi nhà hai tầng. Ta dùng trung liên và súng trường thường xuyên di chuyển vị trí để tiêu diệt thêm nhiều tên, chặn đứng cuộc tiến công của chúng. Khoảng 16 giờ, trời tối, quân địch bắt đầu rút lui. Ta củng cố các vị trí chiến đấu, khẩn trương chuyển thương binh về hậu phương. Khoảng 21 giờ, quân ta rút khỏi trụ sở, sau khi đã tiêu diệt và làm bị thương 45 tên địch, trong đó có một đại uý, phá một xe tăng. Quân ta đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ, tiêu hao, tiêu diệt nhiều địch và làm chậm bước tiến của chúng.
Tác chiến phòng ngự đường phố cũng diễn ra từ đấu, quyết liệt và rất sáng tạo, điển hình như trận phòng ngự ở Hàng Đậu ngày 19 tháng 12 năm 1946. Đường Hàng Đậu chạy từ Tháp nước tròn đến đầu cầu Long Biên, dài khoảng 300m, rộng hơn 30m, là đường giao thông huyết mạch ở cửa ngõ phía bắc Hà Nội. Đường vừa nối nội thành với cầu Long Biên sang sân bay Gia Lâm và các tỉnh phía bắc, vừa nối với Phùng Hưng, Lý Nam Đế và Phan Đình Phùng - những con đường ra vào Cửa Đông và Cửa Bắc của thành Hà Nội. Hai bên đường phố có nhà một tầng và nhà hai tầng xen kẽ. Các đường ngang có ngõ Hồng Phúc thông về phía bắc (Yên Phụ) và phố Nguyễn Thiếp thông xuống phía nam (Đồng Xuân).
Đường Hàng Đậu rất ít cây, hơn nữa là đường mà quân Pháp được phép đi sang Gia Lâm và ngược lại theo Hiệp định Sơ bộ, cho nên khi chưa có chiến sự, ta không thể đào đắp và làm trước các chướng ngại vật, hoặc lợi cây cối để tạo chiến lũy. Khi chuẩn bị kháng chiến, ta đã kiến tạo được tình thế buộc địch khi tiến công thì mục tiêu đầu tiên mà chúng phải chiếm là cửa ngõ phía bắc, trong đó vị trí cầu Long Biên, đường Hàng Đậu - những nút giao thông sinh tử - sẽ là mục tiêu chủ yếu. Vào thời điểm này, tại khu vực Hàng Đậu, địch có một trung đội gác cầu với 2 khẩu súng trường, 4 khẩu cácbin, 5 khẩu tômsơn, 2 khẩu trung liên. Chúng dựng nhà bạt ở chân đê, ngã ba Hàng Đậu - Trần Nhật Duật - Hàng Khoai. Chiều 19 tháng 12, địch điều thêm một xe thiết giáp đến tăng cường.
Lực lượng của ta được bố trí để chốt giữ Hàng Đậu chủ yếu là một trung đội tự vệ công nhân, gồm 20 người với 10 súng trường đủ các loại của Tàu, Tây, Nga, và 1 khẩu trung tên 1 khẩu tômsơn, 1 khẩu sten, một số lựu đạn, mìn, chai cháy và dao găm, mã tấu. Nói chung, cán bộ và chiến sĩ chưa được huấn luyện về kỹ thuật, chiến thuật, chưa có kinh nghiệm chiến đấu. Đầu phố có một trung đội Vệ quốc đoàn gác cầu đóng tại nhà số 1 Hàng Đậu, khi chiến đấu chỉ có một lực lượng nhỏ tham gia. Cuối phố có một trung đội công an xung phong đóng ở đồn công an ngã tư Hàng Giấy - Hàng Đậu. Nhiệm vụ của tự vệ Hàng Đậu là hiệp đồng với công an và Vệ quốc đoàn ngăn chặn không cho địch chiếm con đường huyết mạch này. Từ tháng 11 năm 1946, công tác chuẩn bị chiến đấu của ta được đẩy mạnh hơn.
Việc đào hào, đắp ụ chiến đấu, đục tưởng từ nhà nọ sang nhà kia ngày càng được hoàn chỉnh. Ta đã đào một hào sâu từ ngã ba Hồng Phúc đến giữa phần đường bên số nhà nhẫn, chỉ để phần đường bên số nhà lẻ để xe cộ đi lại. Quân Pháp cho xe đến san lấp nhiều lần, nhưng đến đêm ta làm lại và chôn cọc. Trước ngày nổ súng, dân phố được huy động khuân vác đồ vật đã giấu sẵn ra đường làm vật chướng ngại, tự vệ chôn mìn, đóng cọc vào các vị trí đã định. Đến 20 giờ phút ngày 19 tháng 12 năm 1946, toàn thành phố đồng loạt tiến công địch. Song ở đầu cầu Long Biên, quân địch chủ động đánh trước, dùng xe bọc thép bắn mạnh và khổng chế toàn bộ khu đầu cầu. Khoảng 15 phút, địch từ Cửa Bắc với xe tăng, xe thiết giáp theo đường Phan Đình Phùng ra chiếm Hàng Đậu và cầu Long Biên.
Đến Tháp nước tròn chúng bị trung đội Công an xung phong dựa vào nhà bắn súng, ném chai xăng crếp chặn đánh, đốt cháy một xe bọc thép. Tự vệ ta ém ở dãy nhà bên số chẵn cũng dùng hỏa lực chi viện, đồng thời đánh địch khi chúng vào Hàng Đậu. Địch dùng pháo trên xe tăng bắn vào đồn Công an. Sau một giờ chiến đấu, các chiến sĩ Công an phải rút về tăng cường cho tự vệ phố Gầm Cầu. Địch tiến vào Hàng Đậu, nhưng vướng phải chướng ngại nên không tiến nhanh được. Hai xe bọc thép đi đầu khi qua ngã tư thì một xe trúng mìn, bị hỏng. Tổ chiến đấu của tự vệ trong nhà dùng lựu đạn, tiểu liên tiêu diệt địch. Khi xe địch tiếp tục vướng hào và cọc sắt, lính trên xe xuống nhổ cọc thì tự vệ ta chớp thời cơ dùng chai xăng, lựu đạn từ trên gác ném xuống khiến xe còn lại bốc cháy.
Trên đường tiến quân, địch phát hiện được bãi mìn của ta liền cho xe đi lên hè dãy số chẵn để tránh, để lại một xe yểm hộ cho tốp sau đồng thời điều tiếp một xe bọc thép lên chiếm ngã tư Nguyễn Thiếp - Hàng Đậu, bắn dồn dập sang bên số lẻ và đường Nguyễn Thiếp để chặn quân ta. Tiểu đội tự vệ ở đây vẫn kiên trì bám đánh khiến địch bị lùi lại, không dám tiến thêm. Cánh quân địch thứ hai gồm 10 xe tăng, xe thiết giáp và xe vận tải từ Của Bắc tiến ra định chiếm Yên Phụ buộc phải theo tiến về cầu Long Biên để hợp lực cùng cánh quân thứ nhất đánh thông đường Hàng Đậu. Tự vệ ta cùng Vệ quốc đoàn chặn đánh địch quyết liệt ở bờ sông và đầu đường Trần Nhật Duật. Tổ đánh bom của ta về đã lao ra đặt mìn, làm nổ tung dốc cầu. Khi địch hoang mang, cụm lại ở dốc cầu, dùng hỏa lực chi viện thì tự vệ và bộ đội ta bắn mạnh.
Phát hiện được hỏa điểm quan trọng này, địch dùng hỏa lực trên xe thiết giáp chi viện và cho bộ binh xông vào. Ta lập tức cho nổ mìn gài sẵn khiến nhiều tên bị chết. Song lúc này, đạn của ta đã gần hết, các tổ tự vệ không liên lạc được với nhau nên các tổ chiến đấu ở dãy nhà số chẵn đã rút về Yên Phụ, các tổ bên dãy nhà số lẻ rút về Hàng Khoai, một tổ ở lại để quấy rối địch trên đường Hàng Đậu. Lực lượng Vệ quốc đoàn cũng rút về Yên Phụ. Hơn ba giờ tiến công hai cánh quân địch mới kiểm soát được Hàng Đậu, chiếm cầu Long Biên, phong tỏa đường Yên Phụ, nhưng đã bị tiêu diệt 10 tên cùng 3 xe thiết giáp, 1 xe jeep.
