Đây vốn là trường học với một dãy nhà ba tầng kiên cố. Phía đông trước mặt trụ sở, có sân rộng và hàng rào bảo vệ. Phía nam là đường Lý Thường Kiệt. Phía bắc và phía tây tiếp giáp với các khu dân cư. Lúc này, cơ quan Bộ Quốc phòng đã bí mật chuyển lên An toàn khu. Để bảo vệ trụ sở Bộ Quốc phòng, ta bố trí một trung đội thuộc Tiểu đoàn 77 cùng hai tiểu đội tự vệ khu Đại học.
Sáng 21 tháng 12 năm 1946, ngay sau khi chiếm được Bắc Bộ phủ, quân Pháp tổ chức tiến công đồng thời cả trụ sở Bộ Quốc phòng và trại Vệ quốc đoàn Trung ương. Được sự chi viện của không quân và pháo binh, địch triển khai trên đường Hàng Bài và đường Lý Thường Kiệt. Lúc 8 giờ, địch dùng pháo và súng máy phòng không 12 ly 7 trên xe tăng, xe thiết giáp bắn vào nhà ngang, rồi dẫn bộ binh tiến công từ phía đông và phía nam vào trụ sở Bộ Quốc phòng. Trung liên của ta bắn chặn diệt nhiều tên, số còn lại tháo chạy, một số tên nấp vào tường hàng rào bắn trả. Từ đường Hàng Bài, địch cho xe thiết giáp áp sát tường rào, dùng trọng liên bắn vào các cửa sổ khu nhà chính.
Quân ta từ gác hai ném lựu đạn và chai xăng crếp xuống, buộc xe địch phải chạy ra giữa đường phố. Tiếp đó chúng triển khai hỏa lực bắn mạnh vào các tổ súng trường của ta rồi cho bộ binh xung phong. Ta chờ địch đến gần, dùng lựu đạn và súng trường tiêu diệt nhiều tên, buộc địch phải rút lui. Cuộc chiến đấu giằng co đến 11 giờ, địch không đột phá nổi nên cho hai máy bay đến ném bốn quả bom, phá sập dãy nhà ngang và một góc của ngôi nhà chính. Ta kiên cường chặn địch đánh lui nhiều đợt tiến công của chúng, nhưng do lực lượng cũng như vũ khí, trang bị chênh lệch quá lớn, nên cầm cự đến khoảng 15 giờ rồi rút theo đường Mai Hắc Đế ra ngoài. Địch chiếm được trụ sở, nhưng hơn 60 tên bị tiêu diệt.
Trận bảo vệ trại Vệ quốc đoàn Trung ương cũng diễn ra trong ngày 21 tháng 12 năm 1946. Trại Vệ quốc đoàn Trung ương ở 40 phố Hàng Bài vốn là một khu doanh trại do quân Pháp xây dựng. Bốn phía có lô cốt cao, lợp ngói, tường mỏng, có một lỗ châu mai. Phía Đông và phía Nam giáp đường có hàng rào sắt. Cổng chính hướng ra phố Hàng Bài có các chòi gác cao, đổi diện là rạp Maghêstic, nơi có ổ chiến đấu độc lập Vọng Đức của địch. Qua cổng vào là một sân rộng tối đến nhà của cơ quan chỉ huy, nhà ở của binh sĩ, sĩ quan, nhà ăn, nhà kho ở phía sau. Phía Nam là đường Trần Hưng Đạo, đối diện là nhà của cố vấn Vĩnh Thụy. Phía tây và phía bắc có nhà dân và các cơ quan. Lực lượng bảo vệ trại Vệ quốc đoàn gồm có hai trung đội của Đại đội 3 Tiểu đoàn 77.
Trước khi đánh địch tiến công vào trại, ngày 19 tháng 12 năm 1946, ta đã tiến công tiêu diệt địch ở rạp Maghêstic và ổ chiến đấu độc lập Vọng Đức. Đúng như dự đoán, vào nửa đêm 20 rạng sáng 21 tháng 12, ta lập tức phải đối phó với đợt tiến công của địch vào trại Vệ quốc đoàn. Đến 7 giờ sáng, địch dùng hỏa lực bắn phá mãnh liệt vào khu vực trại, sau đó cho xe tăng và xe thiết giáp chở bộ binh tiến theo đường Trần Hưng Đạo. Địch triển khai thành hai bộ phận.
Bộ phận chính theo đường Hàng Bài đánh chiếm rạp Maghêstic, đặt súng máy bắn mạnh vào chính diện trại, chi viện cho bộ binh từ phía Đông tiến sang. Bộ phận thứ hai chiếm dinh cố vấn Vĩnh Thụy, sau đó đặt súng máy bắn vào phía Nam trại, chi viện cho bộ binh liên tục từ 8 đến 11 giờ, hai trung đội của ta ở hướng Đông và Nam đã dựa vào chiến hào và công sự được chuẩn bị sát tuồng để đánh lui ba đợt tiến công của địch, tiêu diệt nhiều tên.
Địch không đột phá được vào trại, cho quân lui ra xa và điều máy bay ném hai quả bom 50kg đánh sập khu nhà phía bắc, nhưng quân ta đã bố trí trong công sự nên không tổn bị thất. Ngay sau khi bom nổ, địch cho xe tăng húc đổ cổng chính, tiến vào sân trại. Để bảo toàn lực lượng quân ta được lệnh rút lui theo đường đã chuẩn bị sẵn ở phố Mai Hắc Đế và tuyến sau. Nửa ngày quần lộn với địch, quân ta tiêu diệt và làm bị thương khoảng 15 tên.
