Trước dã tâm của thực dân Pháp hòng cướp nước ta một lần nữa, biết chắc quân Pháp sẽ đánh chiếm Bắc Bộ phủ, Trung ương đã tổ chức cho Chủ tịch Hồ Chí Minh cùng cơ quan giúp việc chuyển ra ngoài. Đồng thời, ta chủ trương tổ chức chặn đánh một trận quyết liệt nhằm tiêu hao, tiêu diệt địch, không cho chúng dễ dàng chiếm mục tiêu, sau đó rút lui bảo toàn lực lượng.
Bắc Bộ phủ là một dinh thự lớn ba tầng rất kiên cố nằm trong một khu vườn rộng có hàng rào sắt bao quanh. Phía đông nhìn ra đại lộ Ngô Quyền, đối diện là khách sạn Mêtơrôpôn có khoảng 200 quân Pháp ém sẵn. Phía đông bắc có một quảng trường nhỏ, tiếp đó là tòa nhà của Ngân hàng Đông Dương. Phía bắc có vườn hoa Chí Linh, bên kia là Tòa Thị chính. Phía nam là trụ sở Bộ Nội vụ, Bộ Lao động và Sở Kiểm duyệt với những dãy nhà ba tầng đều hướng ra đại lộ Ngô Quyền, Phía tây là Sở Bưu điện trông ra đại lộ Đinh Tiên Hoàng và hồ Hoàn Kiếm, gần đó có Phòng Thương mại.
Việc phòng ngự Bắc Bộ phủ được giao cho Đại đội 1 thuộc Tiểu đoàn 101. Một trung đội bố trí ở tiền duyên sát bờ rào, đào chiến hào và đắp ụ súng sẵn sang đánh địch; một trung đội bố trí ở các tầng của dinh thự, một trung đội bố trí ở rạp Êđen (nay là rạp Công nhân), khách sạn Gà trống Vàng (nay là khách sạn Dân chủ), Phòng Thương mại. Tại nhà Bưu điện có lực lượng tự vệ và một tiểu đội Vệ quốc đoàn. Phía trước và phía sau toà nhà còn chôn hai quả bom ba càng nặng 150kg ở đầu các bậc lên xuống của cửa lớn.
Vào lúc 21 giờ ngày 19 tháng 12 năm 1946, quân Pháp cho 18 xe tăng, xe thiết giáp, xe vận tải chở khoảng 300 quân lê dương từ Cửa Nam theo đường Cột Cờ, Tràng Thi, Tràng Tiền tiến đánh Bắc Bộ phủ. Khi địch vượt qua đồn công an Hàng trống thì bị ta chặn đánh, nên cuộc tiến quân của chúng chậm tăng giờ đồng hồ. Khi rẽ từ đường Tràng Thi sang đại lộ Ngô Quyền, chúng triển khai tiếp cận Bắc Bộ phủ và bắn mãnh liệt vào các vị trí nghi có quân ta phòng ngự vòng ngoài.
Từ trên gác cao của các tòa nhà, quân ta nhằm bộ binh địch nổ súng diệt nhiều tên trước rạp Êđen, khách sạn Gà trống Vàng, cửa hàng Sápphănggiông (nay là hiệu sách Tràng Tiền). Đợt tiến công thứ nhất của địch bị quân ta chặn lại. Sau khi củng cố đội hình, lúc 3 giờ sáng, bộ binh địch được hai xe tăng dẫn đầu và pháo binh bắn chi viện bắt đầu đột phá cổng trước Bắc Bộ phủ. Trong thời cơ có lợi, một chiến sĩ của ta bí mật tiếp cận đâm bom ba càng diệt một xe tăng địch. Tiếp đó, một chiến sĩ khác dũng mãnh đâm bom ba càng vào chiếc xe tăng thứ hai, nhưng bom không nổ. Cả hai chiến sĩ đã anh dũng hy sinh. Địch hoảng sợ lui quân. Đợt tiến công thứ hai của chúng thất bại.
Đến 6 giờ ngày 20 tháng 12, sau khi chiếm được Nhà hát Lớn, lại có lực lượng từ Đồn Thủy tăng viện, địch triển khai 4 xe tăng, 8 xe thiết giáp cùng một đại đội bộ binh từ phía quảng trường Ngân hàng Đông Dương tiến vào đại lộ Ngô Quyền, tiến công chính diện vào Bắc Bộ phủ, nhà Bộ Nội vụ, Bộ Lao động, Sở Kiểm duyệt. Địch dùng xe tăng đi trước bắn pháo mở đường, theo sau là bộ binh tiến sát hàng rào của Bắc Bộ phủ. Ta dựa vào chiến hào, công sự tiền duyên dùng súng trường, lựu đạn diệt nhiều địch. Bị đánh trả quyết liệt, một bộ phận phận địch phải dạt sang vườn hoa Con Cóc. Đến 9 giờ, địch tổ chức đợt tiến công thứ tư.
Địch cho pháo cối và pháo tăng bắn xối xả vào dinh thự, tiếp đó cho xe tăng húc đổ hai đoạn rào ở chính diện rồi tiến vào bên trong, theo sau xe tăng là bộ binh liều mạng xông lên. Hai tổ quyết tử của ta dùng bom ba càng diệt cả hai xe tăng địch, đồng thời bộ binh ta đồng loạt ném lựu đạn, dùng mã tấu, kiếm, súng trường phản kích, diệt hơn chục tên địch, buộc chúng phải lui khỏi hàng rào. Gần trưa, địch tổ chức đợt tiến công thứ năm. Sau hàng giờ pháo hỏa, chúng liên tiếp đánh vào chính diện nhưng vẫn bị chặn lại, nên phải chuyển hướng tiến công sang vườn hoa Chí Linh đánh vào sườn. Một tiểu đội Vệ quốc đoàn và lực lượng tự vệ Bưu điện chống trả quyết liệt. Một bộ phận địch đột nhập vào trong nhưng đến 14 giờ lại bị quân ta phản kích đánh bật ra.
Lúc 15 giờ, địch tổ chức đợt tiến công thứ sáu vào chính điện. Lúc này, ta đã gần hết đạn và lựu đạn, nên chủ trương rút lực lượng chủ yếu sang cố thủ ở tòa nhà Sở Bưu điện. Địch chiếm được tiền duyên và tiến vào sân dinh thự. Ta giật quả bom ở chân bậc tam cấp, diệt nhiều địch. Khi địch tiếp tục đánh vào phía tam cấp đối diện, ta giật quả bom thứ hai, bom không nổ nhưng cả bộ binh và xe tăng địch đều hoảng hốt chạy ra ngoài hàng rào, bắn xối xả. Khi nắm được tình hình khó khăn của Đại đội 1, Ủy ban Kháng chiến Liên khu 1 lệnh cho rút sang Tòa Thị chính để bảo toàn lực lượng. Địch không dám tiến công tiếp mà điều máy bay bắn phá dữ dội cho đến tôi mặc dù ta đã rút quân. Dù chiếm được Bắc Bộ phủ nhưng quân Pháp đã phải trả một giá đắt, 122 lính lê dương mũ đỏ bị diệt, 4 xe thiết giáp và xe tăng, 1 xe jeep và 3 xe vận tải bị phá hủy.
Qua một ngày chiến đấu anh dũng bảo vệ Bắc Bộ phủ, quân ta đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ Bộ Chỉ huy mặt trận giao. Đây là trận giao chiến phòng ngự đầu tiên mà quân ta gây cho địch tổn thất lớn rồi mới rút. Đòn tiêu diệt địch ở Bắc Bộ phủ làm cho chúng từ chỗ ngông nghênh, coi thường ta chuyển sang khiếp sợ trước tinh thần chiến đấu ngoan cường của Vệ quốc đoàn. Trận phòng ngự Bắc Bộ phủ thắng lợi trước hết là do chuẩn bị chiến đấu khá kỹ lưỡng. Hàng tháng trước khi địch tấn công, Thành ủy, Ủy ban Kháng chiến, Bộ Chỉ huy mặt trận Hà Nội và Liên khu 1 đã đề ra nhiệm vụ tuy không giữ được Bắc Bộ phủ, nhưng phải đánh một trận quyết liệt, gây cho địch nhiều tổn thất. Ta cũng đã tạo điều kiện về mặt thời gian để chuẩn bị kỹ và khi chiến đấu, cơ bản ta đã đánh địch theo các phương án đề ra, không bị động, lúng túng.
