Ngay từ đầu năm 1965, công tác chuẩn bị chiến dịch đã được xúc tiến về phương án tác chiến cũng như bảo đảm hậu cần về gạo, đạn dược dự trữ,... Tháng 5 năm 1965, Trung đoàn 1 bộ binh chủ lực Quân khu hành quân vào Bắc Quảng Ngãi. Địa bàn chiến dịch gồm huyện Bình Sơn, Sơn Tịnh, Tư Nghĩa và thị xã Quảng Ngãi, trong đó Ba Gia là điểm quyết chiến then chốt.
Mở màn chiến dịch, đêm 28 tháng 5, trung đội bộ đội địa phương huyện Sơn Tịnh tiến công đồn dân vệ Phước Lộc. Ngày 29 tháng 5, Tiểu đoàn 1 ngụy Trung đoàn 51 từ đồn Gò Cao về ứng cứu. Tiểu đoàn 90 Trung đoàn 1 của ta đã kịp thời xuất kích. Đến 9 giờ 50 phút, toàn bộ tiểu đoàn địch bị ta bao vây. Các chiến sĩ Trung đoàn 1 nổ súng, đội hình địch hoàn toàn rối loạn. Quân ta áp sát, dũng mãnh tiến công, hai tên cố vấn Mỹ bị bắn chết tại chỗ, tên tiểu đoàn trưởng ngụy bị bắt sống.
Chưa đầy một giờ, toàn bộ Tiểu đoàn 1 ngụy Trung đoàn 51 bị tiêu diệt. Cùng ngày, trên hướng nam sông Trà Khúc, Tiểu đoàn 38 bộ đội địa phương tỉnh bao vây và tiến công chi khu quận lỵ Nghĩa Hành, uy hiếp địch đóng ở Tư Nghĩa, tạo điều kiện cho lực lượng tại chỗ diệt ác, phá kìm. Chỉ trong ngày đầu chiến dịch, ta đã diệt gọn một tiểu đoàn chủ lực ngụy, hai trung đội dân vệ, diệt và làm bị thương 270 tên (có hai tên cố vấn Mỹ), bắt sống 217 tên, thu hơn 200 súng.
Chiều 29 tháng 5, địch điều động Tiểu đoàn 3 thủy quân lục chiến (lực lượng dự bị chiến lược); Tiểu đoàn 37 và Tiểu đoàn 39 biệt động quân (lực lượng cơ động Vùng 1); Tiểu đoàn 2 Trung đoàn 51, Sư đoàn 25 và một chi đoàn M113, tổ chức thành chiến đoàn mạnh, hành quân giải tỏa hòng chiếm lại Ba Gia. Suốt buổi chiều hôm đó, địch bắn phá ác liệt khu vực Sơn Tịnh. Bộ đội ta kiên cường bám trụ, bố trí điều chỉnh lại thế trận để chuẩn bị cho trận đánh tới. Nhân dân Ba Gia tỏa ra các cánh đồng Diên Niên, Lộc Tho, An Thành tiếp tế cơm nước, giúp bộ đội đào công sự, tìm kiếm thương binh, chôn cất tử sĩ và động viên tinh thần chiến đấu của bộ đội.
Sáng 30 tháng 5, sau đợt bom pháo dọn đường, 20 xe GMC, 12 xe M113 chở chiến đoàn hỗn hợp mới thành lập của địch từ quận lỵ Sơn Tịnh tiến lên Ba Gia theo hai cánh. Một cánh gồm Tiểu đoàn 2 Trung đoàn 51 và Tiểu đoàn 3 thủy quân lục chiến theo đường chính lên Phước Lộc, chiếm điểm cao Mả Tổ, núi Khỉ rồi phát triển lên Gò Cao (Ba Gia). Còn Tiểu đoàn 39 biệt động quân theo đường An Thuyết, Vĩnh Lộc, Vĩnh Khánh tiến chiếm điểm cao Chóp Nón, hình thành mũi bọc sườn phía sau trận địa của ta.
Tiểu đoàn 45 của ta xuất kích tiến công vào phía sau đội hình Tiểu đoàn 39 biệt động quân. Cán bộ, chiến sĩ Tiểu đoàn 60 Trung đoàn 1 từ Vĩnh Lộc vận động ra đánh vào Tiểu đoàn 3 thủy quân lục chiến ở điểm cao 47 và đồi Mả Tổ. Trong khi đó, Tiểu đoàn 40 của ta từ chân núi Khỉ nhanh chóng hình thành hai mũi bao vây tiến công vào Tiểu đoàn 2 Trung đoàn 51 ở phía tây Phước Lộc. Sau gần hai tiếng đồng hồ, ta tiêu diệt phần lớn Tiểu đoàn 3 thủy quân lục chiến, đánh thiệt hại nặng Tiểu đoàn 2 của ngụy. Đến 19 giờ, lực lượng còn lại của địch co cụm ở núi Chóp Nón, điểm cao 47, đồi Mả Tổ, làng Phước Lộc.
