Đêm ngày 23 tháng 3 năm 1951, mở đầu chiến dịch, QĐNDVN diệt gọn 3 vị trí Lọc Nước, Đập Nước, Sống Trâu, san bằng vị trí Lán Tháp. Tiểu đoàn 23 tiến công bốt Lọc Nước do một trung đội Pháp chiếm đóng, gặp nhiều khó khăn, bộ đội bị thương vong lớn (45 hy sinh, 125 bị thương). Tiểu đoàn 322 diệt hai vị trí Đập Nước và Sống Trâu, không có chiến sĩ nào bị thương vong. Trung đoàn 174 của Đại đoàn 316, cùng một liên đội pháo đánh vị trí Lán Tháp, diệt 14 lính, bắt 11, thu 22 súng các loại. Toàn bộ những bốt bảo vệ hệ thống dẫn nước ngọt từ Vàng Danh về Hải Phòng đều bị tiêu diệt.

Bộ chỉ huy chiến dịch quyết định đánh thẳng vào thị trấn Uông Bí nằm trên đường 18. Các cầu trên đường 18 đều bị phá. Đường 18 bị cắt đứt một đoạn dài 40 km. Đập nước cung cấp nước ăn cho Hải Phòng bị phá huỷ, đường xe lửa Hà Nội - Hải Phòng bị cắt nhiều nơi, kế hoạch của QĐNDVN là khi nguồn nước ngọt duy nhất bị đe đoạ sẽ buộc quân ứng chiến của Pháp phải kéo tới. Hai trung đoàn 36, trung đoàn 102, bố trí đánh viện binh từ Uông Bí lên Lán Tháp, Đại đoàn 312 ở Trại Cao, Trung Lương, Linh Trung, đón đánh Pháp từ Đông Triều lên, nhưng Pháp chỉ hoạt động thăm dò và tăng cường lực lượng cho các vị trí có thể bị uy hiếp.

Đêm 25 tháng 3, trung đoàn 98 diệt vị trí Chấp Khê. Đêm 27 tháng 3, trung đoàn 102 Đại đoàn 308, được tăng cường hai liên đội pháo tổ chức bốn mũi tiến công Bí Chợ, một vị trí mạnh nằm cạnh đường 18, có khoảng 150 lính Âu - Phi. Đồn Bí Chợ hoàn toàn bị diệt sau 45 phút, pháo binh Pháp không kịp chi viện. Trong trận này Pháp chết 120 lính, bị bắt 50 lính Âu - Phi; QĐNDVN thu ba súng 12,7mm, một súng cối 81mm, ba súng cối 60mm, 10 tiểu liên, 25 súng trường, một vô tuyến điện. QĐNDVN mất 30 chiến sĩ, bị thương 185 người. Cũng trong thời gian này, trung đoàn 36 diệt vị trí Phán Huệ. Trung đoàn 141 Đại đoàn 312, được một liên đội pháo chi viện, đánh vị trí Tràng Bạch, diệt 73 lính, bắt 5, thu một súng cối 81mm, một súng 12,7 mm, chín tiểu liên và một số súng trường.

Chiến dịch Hoàng Hoa Thám diễn ra trong lúc Đờ Lát không có mặt ở Đông Dương. Bộ chỉ huy chiến dịch quyết định tiêu diệt Mạo Khê, trận đánh sẽ diễn ra vào đêm ngày 29.

Trong ngày 29, có tin Đờ Lát đã từ Pari trở lại Hà Nội, và tăng cường cho Mạo Khê Phố tiểu đoàn 6 dù thuộc địa (6è BPC), đưa quân số ở đây từ 150 tăng lên 700 lính. QĐNDVN quyết định ngừng tấn công Mạo Khê. Nhưng mệnh lệnh không tới kịp trung đoàn 36 trước giờ nổ súng. Suốt từ 3 giờ sáng đến trưa ngày hôm sau, QĐNDVN tấn công nhiều đợt nhưng nhờ không quân và pháo binh chi viện mạnh mẽ nên quân Pháp trong đồn vẫn giữ vững và đến 4 giờ chiều khi quân nhảy dù của đại tá Sizaire tới cứu viện. Các đợt tấn công của QĐNDVN bị đẩy lùi, thương vong gần 500 người, trong khi quân Pháp tổn thất 40 chết và 150 bị thương.[5] Bộ chỉ huy chiến dịch nhận thấy các vị trí còn lại trên đường 18 đã được tăng cường, nên quyết định kết thúc đợt 1.

QĐNDVN quyết định chuyển sang đợt 2, tiếp tục đánh một loạt vị trí do các đại đội Pháp chiếm đóng. Những mục tiêu được chọn lần này đều nằm trên đường 17.

Ngày 1 tháng 4, địch tăng cường cho Đông Triều hai tiểu đoàn và điều một phần GM4 từ Lục Nam xuống Phả Lại.

Đêm ngày 4 tháng 4 năm 1951, QĐNDVN nổ súng đánh Bến Tắm, Bãi Thảo, Hoàng Gián, Hạ Chiêu. Nhưng cả bốn trung đoàn đều đột phá không thành công. Trung đoàn 88 đánh Bãi Thảo, chiếm được hai đồi, diệt hơn 100 lính. Quân Pháp cố thủ ở hai đồi còn lại. Đến 4 giờ 30 phút ngày 5 tháng 4, QĐNDVN rút quân vì trời sắp sáng, lại thương vong nhiều (hy sinh 50, bị thương hơn 100 chiến sĩ). Trung đoàn 209 đánh Hoàng Gián, chiếm được hai phần ba đồn, diệt gần 50 lính, hy sinh 5 chiến sĩ, bị thương 34 người. Trung đoàn 98 đánh Hà Chiêu, diệt 13 lính, hy sinh mất 13 người, bị thương 69. Trung đoàn 102 đánh Bến Tắm cũng không thành công, do tổ chức thiếu chu đáo, nên nổ súng chậm, trời sáng, buộc phải rút.

Nắm được tình hình này, Trung tướng Đồng Sĩ Nguyên báo cáo với Tổng tư lệnh là Đại tướng Võ Nguyên Giáp. Đại tướng Võ Nguyên Giáp lập tức ra lệnh dừng chiến đấu và kết thúc chiến dịch Hoàng Hoa Thám. Ngày 7/4/1951, chiến dịch Hoàng Hoa Thám kết thúc.

Đại tướng Võ Nguyên Giáp nhận định: "Thất bại của các trận đánh không phải do quân đồn trú của địch có công sự phòng ngự vững chắc hoặc kiên quyết đối phó, mà chỉ vì chúng đã dựng lên một hàng rào lửa bằng đại bác quanh cứ điểm, ngăn những đợt xung phong của ta"[6]