Ngày 2 tháng 8 năm 1964, Mỹ ngang nhiên cho tàu khu trục Mađốc xâm phạm hải phận nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa, làm hậu thuẫn cho hải quân Mỹ đánh phá các đảo và vùng dân cư ven biển các tỉnh Khu IV. Trước hành động ngang ngược đó, một phân đội tàu phóng lôi của Hải quân đã xuất kích đánh đuổi, tàu Mađốc buộc phải tháo chạy ra vùng biển quốc tế. Hành động chiến đấu đó thể hiện rõ bản lĩnh và quyết tâm đánh Mỹ của bộ đội Hải quân ta. Sau khi cố tình dựng lên “sự kiện vịnh Bắc Bộ”, ngày 5 tháng 8 năm 1964, đế quốc Mỹ chính thức mở cuộc “chiến tranh phá hoại miền Bắc” vô cùng tàn bạo bằng cuộc tiến công đánh phá miền Bắc lần thứ nhất.
Nhờ được chuẩn bị từ trước và với tinh thần cảnh giác rất cao, các lực lượng vũ trang và nhân dân ta đã sẵn sàng ứng phó với hành động leo thang chiến tranh tội ác của Mỹ. Tại Cửa Hội, khi tám máy bay địch lao vào đánh phá, lực lượng pháo trên tàu Hải quân và pháo phòng không trên bờ kịp thời đánh trả, bắn rơi một máy bay. Ở sông Gianh, vào thời điểm đó, lực lượng phòng không của ta cũng bắn rơi một chiếc và bắn hỏng một chiếc khác.
Tại Hòn Gai, Bãi Cháy, một tốp tám máy bay địch lao vào đánh phá đã bị hỏa lực phòng không tầm cao của bộ đội và phòng không tầm thấp của tự vệ ta đánh trả quyết liệt. Một máy bay phản lực A4 bị bắn rơi, tên giặc lái nhảy dù xuống biển bị quân dân ta bắt sống. Đây là tên giặc lái đầu tiên được dẫn giải về “khách sạn Hinton”, tức trại giam phi công Mỹ ở Hà Nội. Lúc 14 giờ 45 phút, tốp máy bay Mỹ tiếp tục bắn phá Bãi Cháy, Lạch Trường bị ta bắn rơi ba chiếc, bắn hỏng một chiếc khác. Đến 16 giờ 20 phút, máy bay Mỹ ném bom sông Gianh lần thứ hai, ta kịp thời nổ súng bắn rơi hai chiếc. Như vậy là cuộc ném bom miền Bắc đầu tiên của không quân Mỹ đã bị giáng đòn đích đáng: 8 máy bay bị bắn rơi, 2 chiếc bị hỏng, một giặc lái bị bắt sống. Đối với đế quốc Mỹ, đây là thất bại lớn vô cùng bất ngờ và choáng váng.
Chiến thắng ngày 5 tháng 8 năm 1964 đối với quân và dân ta có ý nghĩa rất quan trọng. Trận đầu thắng lợi giáng trả cuộc tập kích bằng không quân của đế quốc Mỹ đã tạo nên không khí phấn khởi, tin tưởng. Đó là tiền đề rất quan trọng chuẩn bị cả tinh thần và lực lượng cho cuộc chiến đấu chống chiến tranh phá hoại của đế quốc Mỹ về sau, đồng thời là cơ sở quan trọng để nhân dân ta nâng cao ý chí quyết chiến, quyết thắng giặc Mỹ xâm lược. Qua trận chiến đấu này, chúng ta rút ra được nhiều kinh nghiệm thiết thực, từ đó khẩn trương xây dựng kế hoạch chiến đấu toàn diện nhằm đối phó hiệu quả các bước leo thang chiến tranh phá hoại bằng không quân của địch. Ngày 5 tháng 8 trở thành Ngày truyền thống đánh thắng trận đầu của Hải quân nhân dân Việt Nam anh hùng.
Ngày 6 tháng 8 năm 1964, Trung đoàn không quân tiêm kích 921 sau một thời gian học tập ở nước ngoài đã trở về Tổ quốc một cách bí mật, an toàn. Tổ chức lực lượng của Quân chủng Phòng không - Không quân có bước phát triển lớn. Lực lượng cao xạ, rađa được điều chỉnh, nâng cao khả năng phát hiện từ xa và cơ động chiến đấu, cũng như tăng cường các lực lượng bảo vệ mục tiêu chủ yếu.
Một số tiểu đoàn cao xạ của các sư đoàn bộ binh được đưa vào miền tây Quân khu IV sẵn sàng tham gia chiến đấu. Tháng 11 năm 1964, Đại đội 3 của Tiểu đoàn cao xạ 14 Sư đoàn bộ binh 325 làm nhiệm vụ bảo vệ tuyến vận tải Chalo đã đánh một trận xuất sắc, bắn rơi ba máy bay địch. Từ trận chiến đấu này, tinh thần “nhằm thẳng quân thù mà bắn” của Anh hùng Liệt sĩ Nguyễn Viết Xuân đã trở thành khẩu hiệu hành động của Bộ đội Phòng không - Không quân nhân dân Việt Nam trong suốt những năm chống chiến tranh phá hoại của giặc Mỹ.
Ngày 20 tháng 1 năm 1965, trong Thông điệp nhậm chức, Tổng thống Mỹ Giônxơn trắng trợn tuyên bố: Mỹ phải có hành động mạnh mẽ hơn để ngăn chặn sự sụp đổ hoàn toàn của quân đội Việt Nam Cộng hòa (tức quân đội ngụy). Ngày 7 tháng 2 năm 1965, Giônxơn ra lệnh mở chiến dịch “Mũi lao lửa 1” và ngày 13 tháng 2 mở tiếp chiến dịch “Mũi lao lửa 2” ném bom đánh phá miền Bắc Việt Nam đến vĩ tuyến 19. Mỹ điên cuồng cho máy bay tiến công miền Bắc Việt Nam, trước hết tập trung đánh phá các thị xã, thị trấn ở vùng Khu IV. Nhưng, quân và dân Vĩnh Linh, Quảng Bình đã bình tĩnh, mưu trí giáng trả. Cả hai “mũi lao lửa” của địch đều bị bẻ gãy, 16 máy bay bị bắn rơi, một số chiếc khác bị thương, ngay cả giặc lái có đẳng cấp phi công vũ trụ của Mỹ cũng phải vào “khách sạn Hinton”.
Ngày 13 tháng 2 năm 1965, Giônxơn quyết định mở rộng chiến dịch ném bom toàn miền Bắc với mật danh “Sấm rền” và từ ngày 2 tháng 3, chúng tiến hành đánh từ vĩ tuyến 17 đến vĩ tuyến 20. Các lực lượng phòng không và không quân của ta đã chiến đấu dũng cảm, đánh thắng giòn giã, làm thất bại âm mưu của đế quốc Mỹ hòng buộc miền Bắc ngừng hoặc giảm chi viện cho miền Nam.
Ngày 15 tháng 3, tổ dân quân xã Diễn Hùng (huyện Diễn Châu, Nghệ An) đã bắn rơi một máy bay Mỹ, mở đầu cho phong trào dùng súng bộ binh bắn máy bay Mỹ trên miền Bắc. Tiếp đó, địch tập trung máy bay với cường độ lớn đánh phá trận địa rađa và cao xạ của ta ở Vĩnh Linh, Quảng Bình. Lực lượng phòng không chiến đấu kiên cường, người này ngã xuống người khác thay thế. Chín máy bay địch đã bị bắn rơi, nhiều chiếc khác bị bắn hỏng.
