Đêm 11 tháng 11, Tiểu đoàn đặc công 952 của ta tập kích sở chỉ huy Lữ đoàn 3 kỵ binh bay của Mỹ ở Bầu Cạn. Trong khi đó, Trung đoàn 33 gấp rút hành quân đến thung lũng Ya Đrăng; Trung đoàn 66 vừa từ miền Bắc vào bỏ lại trang bị cồng kềnh, chỉ mang theo súng đạn và ba ngày gạo, nhằm hướng núi Chư Pông hành quân gấp để kịp thời tham gia chiến đấu.
Ngày 14 tháng 11, địch đổ một tiểu đoàn xuống Ya Đrăng lùng sục bắc Chư Pông. Tiểu đoàn 4 Trung đoàn 66 của ta gặp địch và đã vào trận rất ngoan cường, đánh thiệt hại một đại đội, làm tiêu hao một đại đội khác của địch. Tiểu đoàn 1 kỵ binh bay của Mỹ lâm nguy, nên Lữ đoàn 3 của chúng phải điều Tiểu đoàn 2 từ An Khê lên tăng viện, sau đó đổ thêm một tiểu đoàn nữa xuống Ya Đrăng.
Chúng tập trung đánh vào chỗ trú quân của Tiểu đoàn 9 Trung đoàn 66, nhưng bị ta đánh rát nên phải co cụm lại. Ngày 15 tháng 11 năm 1965, Sở Chỉ huy tiền phương chiến dịch lệnh cho Trung đoàn 66 tiếp tục tiến công địch. Tiểu đoàn 7 và Tiểu đoàn 9 của Trung đoàn 66 đã tiêu diệt một đại đội và đánh thiệt hại nặng một đại đội khác của Tiểu đoàn 2/7 kỵ binh bay Mỹ, loại khỏi vòng chiến đấu 200 tên (hơn 80 tên chết), bắn rơi 9 máy bay lên thẳng, thu 72 súng các loại, 22 đài thu phát vô tuyến. Trước tình thế nguy khốn của Lữ đoàn 3 kỵ binh bay, địch phải dùng đến B-52 ném bom rải thảm xuống thung lũng Ya Đrăng. Đây là lần đầu tiên Mỹ buộc phải dùng máy bay chiến lược yểm trợ chiến thuật cho bộ binh.
Phát huy thắng lợi đã giành được, ngay trong đêm 16 tháng 11, bộ đội ta với tinh thần “nắm thắt lưng địch mà đánh” đã liên tục tiến công. Ngày 17 tháng 11, tại phía đông bắc Chư Pông, hai tiểu đoàn của Trung đoàn 66 và Trung đoàn 33 tiếp tục tiến công Tiểu đoàn 2/7 (thuộc Lữ đoàn 3 kỵ binh bay) của Mỹ. Trận đánh diễn ra ác liệt, kéo dài đến trưa ngày 17 tháng 11.
Núi rừng Chư Pông rung chuyển trong tiếng nổ của bom B-52 và pháo bầy của Mỹ; Lửa bom napan thiêu cháy những khu rừng rộng lớn của thung lũng Ya Đrăng; Nhưng Mỹ vẫn không cứu được Tiểu đoàn 2/7 kỵ binh bay của chúng khỏi bị tiêu diệt hoàn toàn. Ngày 19 tháng 11, bộ phận còn lại của Lữ đoàn 3 kỵ binh bay Mỹ tháo chạy khỏi thung lũng Ya Đrăng bằng đường bộ. Trên đường tháo chạy, chúng tiếp tục thiệt hại nặng do lực lượng ta truy kích.
Chiến dịch Plây Me kết thúc, 1.700 tên Mỹ và 1.270 tên ngụy bị loại khỏi vòng chiến đấu, 59 máy bay lên thẳng của chúng bị bắn rơi, 89 xe quân sự và nhiều khẩu pháo bị phá hủy. Sư đoàn kỵ binh bay, một sư đoàn cơ động bằng máy bay lên thẳng lần đầu tiên xuất hiện trong chiến tranh, niềm hy vọng lớn của lục quân Mỹ, cùng với hình thức tác chiến “ứng viện giải vây” và chiến thuật “nhảy cóc” đã bị đánh bại trên chiến trường núi rừng Tây Nguyên.
Chiến thắng Plây Me thể hiện tinh thần rất cao quyết chiến, quyết thắng giặc Mỹ xâm lược và cách đánh mưu trí sáng tạo của chủ lực ta, đồng thời chứng tỏ rằng Việt Nam không những dám đánh Mỹ mà còn đánh thắng Mỹ trong điều kiện chúng có hỏa lực, trang bị mạnh và sức cơ động cao. Ta có thể diệt được từng tiểu đoàn Mỹ trong đội hình lớn. Tướng Mỹ G. Morơ (trong chiến dịch Pláy Me là Trung tá Tiểu đoàn trưởng 1/7 Lữ đoàn 3 kỵ binh bay của Mỹ) sau này nhận định rất đúng rằng: Ya Đrăng là trận đánh đã làm thay đổi cuộc chiến tranh ở Việt Nam.
