Khêu ngòi: Đêm 28/5, QGP dùng một trung đội bộ đội địa phương huyện Sơn Tịnh tập kích hai trung đội dân vệ đóng ở ấp chiến lược Diên Niên buộc đại đội dã ngoại VCNH thuộc tiểu đoàn 1/51 ở núi Tròn (xã Tịnh Sơn) phải xuống ứng cứu. Sáng sớm 29/5, đại đội dã ngoại VNCH đi ứng cứu lọt vào trận địa phục kích của đại đội 2/90 QGP ở núi Khỉ, phần lớn đội hình đi đầu bị tiêu diệt, số còn lại dựa vào địa hình chống trả và kêu cứu viện.

Đánh điểm: Đến 10 giờ sáng 29/5, phần lớn lực lượng còn lại của tiểu đoàn 1/51 VNCH từ Gò Cao kéo xuống tiếp viện, lọt vào trận địa phục kích của tiểu đoàn 90 QGP ở khu vực giữa Núi Tròn và Núi Khỉ, các mũi tấn công của QGP bất ngờ xuất kích đánh thẳng sau lưng đội hình VNCH. Bị tấn công bất ngờ, đội hình tiểu đoàn 1/51 hoàn toàn rối loạn, không thể phản kích hiệu quả và bị tiêu diệt sau 5 giờ chiến đấu, QGP diệt và làm bị thương 270 binh lính và sĩ quan (có 2 cố vấn Hoa Kỳ), bắt sống 217 tù binh VNCH (cả tiểu đoàn trưởng tiểu đoàn 1/51), thu 200 súng, 5 xe GMC, 1 xe Jeep.[3]

Điều quân:

Được tin tiểu đoàn 1/51 bị tiêu diệt, đồn Gò Cao bị uy hiếp, chỉ huy quân đoàn 1 VNCH khẩn cấp tăng viện tiểu đoàn 39 biệt động quân của vùng 1 chiến thuật từ Đà Nẵng vào thị xã Quảng Ngãi, tiểu đoàn 3 thủy quân lục chiến thuộc lực lượng tổng trừ bị đang càn quét ở Đức Phổ, cùng tiểu đoàn bộ binh 2/51, thành lập một chiến đoàn từ thị xã Quảng Ngãi tiến lên Ba Gia, nhằm giải vây cho đồn Gò Cao.

Sáng 30/5/1965, xuất phát từ thị xã Quảng Ngãi, chiến đoàn này dùng 20 chiếc xe GMC và 12 xe bọc thép M113 chở quân theo tỉnh lộ 5 lên Tịnh Hà (huyện lỵ Sơn Tịnh). Đến ngã ba Lâm Lộc, chiến đoàn bỏ xe lại rồi chia thành hai cánh hành quân bộ. Cánh chủ yếu gồm tiểu đoàn 2/51 BB và tiểu đoàn 3 TQLC tiếp tục tiến theo trục tỉnh lộ 5 từ Sơn Tịnh đi Sơn Hà hướng tây tới Ba Gia. Cánh bọc sườn phía bắc là tiểu đoàn 39 BĐQ rẽ theo đường An Thuyết - Vĩnh Lộc - Vĩnh Khánh hướng tây bắc chiếm núi Chóp Nón (Tịnh Bình) hình thành thế bao vây phía sau đội hình QGP.

Phía Quân Giải phóng cũng sắp sẵn thế trận chủ động đón đánh chiến đoàn VNCH. Tiểu đoàn 40 và 60 bố trí phục kích hướng chủ yếu ở Phước Lộc. Tiểu đoàn 45 phục kích ở núi Chóp Nón hướng tiểu đoàn 39 BĐQ tiến quân. Tiểu đoàn 90 làm lực lượng dự bị chiến dịch, sẵn sàng cơ động đón lõng đánh địch.[3]

Diệt viện:

Đến 14 giờ ngày 30/5, tiểu đoàn 39 BĐQ tiếp cận và chạm súng với tiểu đoàn 45 QGP tại núi Chóp Nón, bị tiêu diệt một bộ phận. Tiểu đoàn trưởng tiểu đoàn 39 BĐQ bị thương nặng, tiểu đoàn phó và cố vấn Hoa Kỳ chết tại trận. Phía QLVNCH dùng phi pháo bắn phá dữ dội vùng xung quanh để hỗ trợ tiểu đoàn 39 BĐQ chống trả, co cụm tại Chóp Nón. QGP chủ trương vây chặt, kìm chân địch tại chỗ, khẩn trương chuẩn bị ban đêm tiếp tục tấn công.

Trên hướng Phước Lộc, tiểu đoàn 3 TQLC và tiểu đoàn 2/51 QLVNCH đã tiếp cận ấp Phước Lộc và cao điểm 47 trên đồi Mả Tổ, nghe súng nổ phía Chóp Nón nên dừng lại, chiếm lĩnh địa hình có lợi, chuẩn bị đối phó với QGP. Không còn yếu tố bí mật nữa, lực lượng tấn công trên hướng chủ yếu của QGP nhanh chóng chuyển cách đánh từ "vận động phục kích" sang "vận động tấn công". Tiểu đoàn 60 QGP xuất kích tiêu diệt một bộ phận của tiểu đoàn 3 TQLC ở cao điểm 47, đồi Mả Tổ phía bắc ấp Phước Lộc, QGP và QLVNCH giành giật nhau cao điểm 47 quyết liệt. Tiểu đoàn 40 QGP chia làm nhiều mũi tấn công tiểu đoàn 2/51 VNCH ở ấp Phước Lộc, tiêu diệt nhiều sinh lực địch.

Sau 2 giờ bị lực lượng QGP tấn công chia cắt đội hình, tới tối chiến đoàn VNCH co cụm lại ở ba điểm nhưng không liên lạc với nhau được. Trung đoàn 1 QGP quyết định xốc lại lực lượng, chuẩn bị đánh đêm. Tiểu đoàn 45 QGP bí mật, bất ngờ, nhanh chóng tập kích tiêu diệt gọn tiểu đoàn 39 BĐQ ở Chóp Nón. Ở ấp Phước Lộc, tiểu đoàn 2/51 VNCH dựa vào các đường hào ấp chiến lược cũ chống trả quyết liệt, đến 4 giờ sáng 31/5, tiểu đoàn 40 QGP mới tiêu diệt được tiểu đoàn 2/51 VNCH. Cùng lúc đó, tiểu đoàn 60 GQP tập kích tiêu diệt đại bộ phận tiểu đoàn 3 TQLC ở cao điểm 47 đồi Mả Tổ. Đến 4 giờ 30 phút sáng 31/5, toàn bộ trận đánh kết thúc.

Sau 15 giờ chiến đấu, bằng nhiều hình thức chiến thuật linh hoạt, Quân Giải phóng đã tiêu diệt chiến đoàn hỗn hợp, đập tan cuộc hành quân cứu viện của Quân lực VNCH, diệt và làm bị thương 916 binh lính và sĩ quan (có 4 cố vấn Hoa Kỳ), bắt 65 tù binh, thu hơn 200 súng.[3]