Cùng lúc, một tiểu đoàn thuộc Trung đoàn 2 và một đơn vị của Trung đoàn 1 nổ súng tiến công địch ở chi khu Phước Bình. Tại thị xã Phước Long, ngay trong đêm, bộ đội ta đã chiếm được khu truyền tin, kho xăng, khu cảnh sát, đồn bảo an,... của địch. Ngay sau đó, lực lượng ta đánh chiếm dinh tỉnh trưởng và phát triển sang cư xá Mỹ, diệt 28 tên cố vấn.
Ở Phước Bình, sau 25 phút chiến đấu, ta đã làm chủ chi khu. Được tin Phước Long thất thủ, ngụy quyền Sài Gòn lập tức điều quân đến ứng cứu, giải toả. Đường bộ bị ta chặn, địch buộc phải dùng trực thăng đổ xuống bốn tiểu đoàn. Sau khi được tăng viện, địch tổ chức phản công hòng chiếm lại Phước Long. Ta đánh lui sáu đợt phản kích của địch, diệt hai đại đội thuộc Tiểu đoàn 36 biệt động, trong đó có tên tiểu đoàn trưởng bắn rơi 13 máy bay.
Ngày 12 tháng 5, ta rút khỏi thị xã Phước Long. Trên hướng phối hợp, ngày 15 tháng 5, Trung đoàn 4 tổ chức phục kích địch trên đường 20, diệt hai đại đội bảo an, phá hủy 20 xe quân sự. Trên các lộ giao thông, ta phá sập 12 cầu địch phải đưa ba tiểu đoàn của Trung đoàn 43 và Trung đoàn 48 đến giải toả. Đợt một chiến dịch Đồng Xoài kết thúc.
Quân ủy Miền và Bộ Chỉ huy chiến dịch nhận định: Khu vực chủ yếu địch cố giữ là Chơn Thành, Đồng Xoài, thị xã Phước Long, Bình Long, Bù Đốp. Trong đó, Đồng Xoài giữ vị trí quan trọng, có ý nghĩa chiến lược, do nằm cách thị xã Phước Long 35km về phía nam, trùm lên ngã tư quốc lộ 14 và tỉnh lộ 2, là cứ điểm mạnh trong tuyến phòng thủ Sông Bé bảo vệ phía bắc Sài Gòn.
Từ Đồng Xoài, địch có thể khống chế cả khu vực Phước Long, Bình Long, Châu Thành, Đông Phú, nên chúng đã bố trí nhiều đơn vị thiện chiến với tổng số gần 2.000 tên, có pháo binh, cơ giới yểm trợ. Bộ Chỉ huy chiến dịch chọn Đồng Xoài làm khu vực quyết chiến chiến dịch và trận đánh vào chi khu Đồng Xoài là trận then chốt quyết định. Lực lượng ta được sử dụng tiến công Đồng Xoài gồm Trung đoàn 2 tăng cường thêm Tiểu đoàn 2 và Trung đoàn 3 chủ lực Miền, cùng bộ đội địa phương Bình Long, Phước Long và du kích các xã.
Đêm mùng 9 tháng 6 năm 1965, mở đầu đợt hai của chiến dịch, ta nổ súng tiến công thẳng vào Đồng Xoài. Trận đánh diễn ra ác liệt, địch gây cho ta nhiều thương vong. Tuy nhiên, các đơn vị đã chủ động phối hợp chi viện cho nhau. Sáng ngày 10 tháng 6, ta làm chủ đại bộ phận cứ điểm Đồng Xoài. Địch co cụm về sở chỉ huy, khu cư xá cố vấn Mỹ để cố thủ. Trưa ngày 10 tháng 6, địch đổ thêm một tiểu đoàn thuộc Trung đoàn 7 Sư đoàn 5 để giải vây cho Đồng Xoài.
Trung đoàn 1 của ta nhanh chóng xuất kích, bao vây, tiêu diệt gọn toàn bộ quân ngụy vừa đổ xuống. Địch tiếp tục đổ Tiểu đoàn 52 biệt động quân xuống cách Đồng Xoài 2km về phía đông để phản kích. Ta diệt gọn một đại đội, số còn lại chạy tản vào rừng. Sáng 11 tháng 6, địch đưa Tiểu đoàn dù 7 và Tiểu đoàn 46 biệt động quân cùng một đại đội pháo 105 ly tới Đồng Xoài. Ngày 12 tháng 6, ta diệt Tiểu đoàn dù 7, bắt sống 30 tên. Ngày 17 tháng 6, địch rút khỏi Đồng Xoài. Chiến dịch tiến công Đồng Xoài của ta đã kết thúc đợt hai. Trong đợt ba, ta tiếp tục tiêu diệt và đánh thiệt hại ba tiểu đoàn chủ lực của ngụy, làm chủ hoàn toàn cứ điểm Đồng Xoài. Chiến dịch Đồng Xoài đã kết thúc thắng lợi.
Chiến thắng Đồng Xoài có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần làm thay đổi cục diện chiến trường Nam Bộ. Quân ngụy - lực lượng nòng cốt và là chỗ dựa chủ yếu của Mỹ để tiến hành chiến lược “chiến tranh đặc biệt” - đã bị đánh bại. Chương trình bình định nông thôn của Mỹ - ngụy bị phá sản. Cuộc tiến công Hè - Thu 1965 với các chiến thắng Ba Gia, Đồng Xoài cùng thắng lợi của ta tại các mặt trận khác trên toàn miền Nam đã đẩy chính quyền Sài Gòn lún sâu hơn vào cuộc khủng hoảng chính trị. Cách mạng miền Nam vững vàng trên thế chủ động chiến lược. So sánh lực lượng trên chiến trường ngày càng có lợi cho ta.
Như vậy, chiến lược “chiến tranh đặc biệt” của Mỹ nhằm mục đích tiêu diệt lực lượng vũ trang ta, triệt phá cơ sở cách mạng, bình định miền Nam trong 18 tháng bằng các kế hoạch Xtalây - Taylo, Giônxơn - Mắc Namara và các hoạt động gây rối, phá hoại miền Bắc,... đã liên tiếp thất bại và đứng trước nguy cơ thất bại hoàn toàn. Ấp chiến lược, xương sống của chiến lược “chiến tranh đặc biệt” cũng bị phá sản. Nắm vững thời cơ, quân và dân miền Nam đã liên tục tiến công đánh bại từng mảng lớn quân chủ lực ngụy. Các lực lượng vũ trang giải phóng trưởng thành nhanh chóng, vừa đánh địch, vừa hỗ trợ quần chúng nổi dậy diệt ác, phá kìm, giành quyền làm chủ.
