Sáng mùng 3 tháng 4 năm 1965, lực lượng không quân tiêm kích MIG17 gồm hai biên đội đã xuất kích. Ngay trận không chiến đầu tiên, không quân ta đã bắn rơi hai chiếc F8U của địch và trở về căn cứ an toàn. Ngày 3 tháng 4 trở thành Ngày truyền thống của Không quân nhân dân Việt Nam anh hùng. Ngày 4 tháng 4, nhận định địch sẽ huy động lực lượng lớn, đánh phá ác liệt hơn, ta cơ động lực lượng tăng cường bảo vệ Hàm Rồng. Các lực lượng phòng không nhân dân ba thứ quân phối hợp hiệp đồng tác chiến, giăng lưới lửa phòng không kín trời Hàm Rồng. Kết thúc trận đánh, có ba máy bay địch bị bắn rơi, trong đó hai chiếc do không quân ta tiêu diệt. Cầu Hàm Rồng vẫn hiên ngang đứng vững.
Tháng 7 năm 1965, trước hành động leo thang mới của đế quốc Mỹ trong chiến lược ném bom phá hoại miền Bắc, bộ đội tên lửa vừa được thành lập trước đó vài tháng đã bước vào chiến đấu. Ngày 24 tháng 7, tại trận địa Suối Hai (huyện Bất Bạt, tỉnh Hà Tây), Tiểu đoàn 63 và Tiểu đoàn 64 đã phóng những quả tên lửa đầu tiên của ta, diệt một máy bay F4C, bắt sống giặc lái. Ngày 24 tháng 7 trở thành Ngày truyền thống của Bộ đội tên lửa phòng không anh hùng. Tiếp đó, ngày 26 tháng 7, bộ đội tên lửa bắn rơi hai máy bay, trong đó có một chiếc trinh sát không người lái.
Tại Suối Hai, chúng ta cho dựng “trận địa tên lửa giả” để nhử địch. Hai trung đoàn cao xạ 57 và hai tiểu đoàn cao xạ 37 được bố trí xung quanh trận địa giả này. Ngày 27 tháng 7, giặc Mỹ cho máy bay 48 lần đánh vào trận địa giả do ta bố trí sẵn. Lưới lửa phòng không của ta lập tức đánh trả, bắn rơi năm máy bay địch, trong đó có hai chiếc rơi tại chỗ. Với chiến thắng này ta rút ra được bài học kinh nghiệm về sự kết hợp tác chiến giữa tên lửa với các hỏa lực phòng không tầm thấp, hình thành những cụm hỏa lực phòng không. Cụm chiến đấu phòng không làm cho sức mạnh chiến đấu của các lực lượng phòng không tăng hơn nhiều. Đến cuối năm 1965, bộ đội Phòng không - Không quân đã cùng các lực lượng vũ trang nhân dân miền Bắc bắn rơi 834 máy bay. Lực lượng phòng không ba thứ quân phát triển nhanh cả về số lượng và chất lượng.
Vào đầu năm 1966, địch tiếp tục mở rộng leo thang đánh phá bằng không quân và hải quân đối với miền Bắc. Chúng thay đổi một số thủ đoạn đánh phá như tăng thêm máy bay tiêm kích (máy bay chiến đấu) để bảo vệ máy bay cường kích (máy bay ném bom); khống chế các sân bay, làm cho không quân ta gặp không ít khó khăn. Để đối phó với tên lửa của ta, địch tăng cường các thủ đoạn gây nhiễu.
Còn ở vùng biển Khu IV, chúng sử dụng tuần dương hạm, khu trục hạm đậu ở ngoài cự ly 10km bắn phá vào đất liền, làm cho các đơn vị pháo ở bờ biển của ta rất vất vả khi chống phá thủ đoạn này của chúng. Địch còn cho máy bay chiến lược B-52 đánh phá đèo Mụ Giạ và phía tây đường 12 (Quảng Bình). Cường độ và thủ đoạn đánh phá của kẻ thù tuy có gây cho lực lượng phòng không của ta một số khó khăn nhất định, nhưng chúng không thể làm nhụt ý chí chiến đấu của quân và dân ta.
Tháng 1 năm 1966, Quân ủy Trung ương ra nghị quyết chỉ rõ: miền Bắc cần phát triển hơn nữa lực lượng phòng không, công binh và vận tải nhằm đánh bại cuộc chiến tranh ở mức độ cao và ác liệt của địch, giữ vững các tuyến giao thông chiến lược, thực hiện đầy đủ mọi kế hoạch chi viện cho miền Nam, chuẩn bị tốt cho các lực lượng vào chiến trường chiến đấu và động viên mở rộng lực lượng khi cần thiết.
Thực hiện nghị quyết của Quân ủy Trung ương, những tháng đầu năm 1966, Đảng ủy và Bộ Tư lệnh Quân chủng phòng không - không quân tập trung nâng cao hơn nữa sức chiến đấu và khả năng hoàn thành nhiệm vụ của toàn quân chủng. Lúc này, lực lượng cao xạ, rađa đã có bước trưởng thành đáng kể. Việc xây dựng các đơn vị pháo ở bờ biển được chú trọng hơn. Với những nỗ lực trên, trong ba tháng đầu năm 1966, quân và dân ta đã bắn rơi nhiều máy bay, bắn chìm một số tàu chiến Mỹ, mạch máu giao thông vẫn được giữ vững. Tính đến ngày 30 tháng 4, lực lượng phòng không miền Bắc đã bắn rơi 1.005 máy bay các loại, bắt sống một số giặc lái.
Mặc dù bị thua đau ở cả hai miền Nam, Bắc, đế quốc Mỹ vẫn ngoan cố tiếp tục leo thang chiến tranh ngày càng ác liệt hơn. Địch tập trung đánh phá các kho nhiên liệu, nhà máy điện,.... nhằm làm tê liệt mọi hoạt động của ta. Đặc biệt, ngày 29 tháng 6 năm 1966, đế quốc Mỹ cho máy bay ném bom kho xăng Đức Giang ở Hà Nội, kho xăng Thượng Lý ở Hải Phòng, mở đầu việc đánh phá bằng không quân đối với Hà Nội, Hải Phòng và các trung tâm dân cư đô thị lớn ở miền Bắc Việt Nam. Đây là nấc thang chiến tranh mới rất nghiêm trọng trong cuộc chiến tranh phá hoại miền Bắc của chúng.
Trước tình thế khẩn trương đó, ngày 17 tháng 7 năm 1966, Chủ tịch Hồ Chí Minh ra Lời kêu gọi quân và dân miền Bắc: “Chúng ta quyết đánh thắng chiến tranh phá hoại của địch, đồng thời hết sức hết lòng ủng hộ đồng bào miền Nam ruột thịt". Người cũng đã động viên toàn Đảng, toàn quân, toàn dân quyết đồng tâm nhất trí, vượt mọi gian khổ hy sinh, kiên quyết hoàn thành nhiệm vụ lịch sử vẻ vang của dân tộc ta là đánh thắng giặc Mỹ xâm lược.
Hưởng ứng lời kêu gọi của Chủ tịch Hồ Chí Minh, trên mặt trận chống chiến tranh phá hoại của địch, bộ đội phòng không - không quân tăng cường luyện tập, rút kinh nghiệm, bàn bạc cách đánh. Trí tuệ khoa học nghệ thuật quân sự của cán bộ, chiến sĩ toàn quân chủng được phát huy cao độ: bộ đội pháo phòng không sáng tạo nên chiến thuật “lưới lửa ba tầng”, bộ đội tên lửa sáng tạo nên chiến thuật “bắn chụm ba điểm”, bộ đội không quân sáng tạo nên chiến thuật “đồng thời công kích”, bộ đội rađa sáng tạo nên chiến thuật “vạch nhiễu tìm thừ”,... Lực lượng cao xạ được tăng cường cho Hà Nội, Hải Phòng. Cuộc chiến đấu ở khu vực Hà Nội diễn ra quyết liệt, nhiều máy bay Mỹ đã bị bắn rơi, trong đó có cả máy bay trinh sát điện tử EB66.
Bước sang năm 1967, năm có tầm quan trọng đối với ta và địch, không quân Mỹ tập trung đánh phá ác liệt vào khu công nghiệp, điện lực, giao thông vận tải, dự trữ nhiên liệu, sân bay và trận địa phòng không, cơ sở quân sự của ta. Đến cuối năm 1967, Mỹ đã ném xuống miền Bắc Việt Nam 1.630.000 tấn bom các loại, nhiều hơn khối lượng bom đạn mà Mỹ ném xuống chiến trường châu âu và gấp ba lần số bom ném xuống Thái Bình Dương trong Chiến tranh thế giới thứ hai, gấp hai lần số bom ném xuống Triều Tiên trong chiến tranh Triều Tiên.
Bom đạn Mỹ đã gây ra cho nhân dân ta nhiều tổn thất nặng nề. Trong bốn năm chiến tranh phá hoại miền Bắc của không quân, hải quân Mỹ (1964-1968), có 14.000 quân nhân và 60.000 dân thường miền Bắc bị giết hại. Ngoài tổn thất về sinh mạng miền Bắc còn thiệt hại nặng nề về vật chất, của cải. Hầu hết hệ thống giao thông cầu, đường và nhà ga; kho tàng, bệnh viện; đê điều, đập nước; cơ sở kinh tế,... bị Mỹ ném bom, bắn phá; 391 trường học, 92 cơ sở y tế, 149 nhà thờ, 79 ngôi chùa, 25 trong số 30 thị xã và 3 trong số 5 thành phố bị phá hủy; nhiều nơi đã bị bom Mỹ san bằng.
