Đầu tháng 10, quân đội Pháp bắt đầu tập kết ở Ghềnh (Yên Mô, Ninh Bình) và Hoàng Đan dọc sông Đáy (Ý Yên, Nam Định).[10] Ngày 15 tháng 10 năm 1953, tướng Jean Gilles chỉ huy cuộc hành quân Mouette đánh ra tây nam Ninh Bình.[7]

Sư đoàn A và B của Pháp do Christian de Castries và Paul Vanuxem chỉ huy hành quân theo đường 59, xuất phát từ Chợ Ghềnh để đánh chiếm Rịa (Lai Cac?) cách đó 25 km. De Castries chia quân đóng ở các điểm cao, quan trọng nhất là hai điểm cao 94 (năm trên đường đi Nho Quan) và 201 (Trại Ngọc, hướng đi Kim Tân, Thạch Thành). Vanuxem chia quân ra đóng ở các khu vực dọc đường 59, cho một bộ phận tập kết ở Quang Sỏi (Quang Sơn, Tam Điệp), nhằm tấn công Đồng Giao, Quang Lang Đoài. Trên đường hành quân, quân Pháp bị bộ đội địa phương và dân quân du kích các huyện Gia Viễn, Yên Mô, Nho Quan tổ chức nhiều trận đánh nhỏ lẻ để cầm chân.[10]

Cùng ngày 15 tháng 10, Navarre huy động Hàng không mẫu hạm Arromanches và hàng chục tàu chiến mở cuộc hành quân Pélican nhắm vào Liên khu 4. Ngày 16 tháng 10, 500 quân Pháp đổ bộ vào bờ biển Tĩnh Gia (Thanh Hóa). Một bộ phận biệt kích tấn công cứ điểm Khoa Trường.[11] Mục đích của cuộc hành quân này giống như Cuộc hành quân Hautes Alpes (Operation Hautes Alpes) vào tháng 3, chỉ nhằm nghi binh khiến Đại đoàn 304 Quân đội nhân dân Việt Nam bị "giam chân", không thể chi viện cho chiến trường chính.[12] Cuộc hành quân Pélican khiến cho Bộ Tổng tư lệnh Quân đội nhân dân Việt Nam lâm vào hoang mang.[13]

Đếm 18, rạng sáng 19 tháng 10, nhân lúc quân Pháp chưa kịp củng cố trận địa, Trung đoàn 64 tổ chức tập kích hai điểm cao 94 và 201 do Lữ đoàn Lê dương thứ 13 (13e DBLE) đóng giữ dưới sự chỉ huy của Thiếu tá Paul Pégot.[14] Tiểu đoàn 706 thuộc Trung đoàn 64 tập kích điểm cao 94 và làm chủ trận địa. Tiểu đoàn 722 sớm bị phát hiện khi tập kích điểm cao 201 nên bị thiệt hại nặng. Quân Pháp thiệt hại 2 Đại đội và tổn thất nặng 2 Đại đội khác. Trung đoàn 64 kiểm soát được điểm cao 201 sau đó. Nhận thấy hạn chế khi tập kích điểm cao, Đại đoàn 320 quyết định thay đổi phương thức tác chiến, chia nhỏ thành các phân đội phối hợp với dân quân, du kích đánh nhỏ, đánh phân tán kìm chân, tiêu hao sinh lực đối phương.[9]

Lúc này, quân đội Pháp ở Thanh Hóa đã bắt đầu rút lui. Bộ Tổng tư lệnh Quân đội nhân dân Việt Nam lúc này mới hoàn toàn nắm rõ ý đồ của Pháp, từ đó giữ nguyên chiến lược Đông Xuân 1953–1954, ra lệnh cho Đại đoàn 320 tổ chức lực lượng phản công, còn các đơn vị khác tiếp tục di chuyển như kế hoạch đã vạch ra.[12]

Ngày 22 tháng 10, Pháp cho 4 Tiểu đoàn bộ binh, 2 Tiểu đoàn pháo binh và 1 Tiểu đoàn thiết giáp từ Rịa chia làm ba mũi tiến về thị trấn Nho Quan: Một mũi đi theo đường 59, mũi vòng qua phía đông, một mũi vòng qua phía tây. Trung đoàn 52 và 64 của Đại đoàn 320 phải chia nhỏ lực lượng, cùng dân quân du kích tiến hành mai phục, chặn đánh.[9]

Tối 23 tháng 10, Tiểu đoàn 1 Trung đoàn 48 thiết lập trận địa phục kích ở chân đồi Trại Ngọc. Đến sáng ngày 24 tháng 10, Tiểu đoàn 1 (1er) Trung đoàn Lê dương số 5 (5e REI) với sự yểm trợ của 20 xe tăng, xe bọc thép hành quân từ Rịa đến Phủ Đồi - Trại Ngọc và bị phục kích. Quân Pháp bại trận, thiệt hai 1 Đại đội, 9 xe tăng bị phá hủy, bị bẻ gãy mũi tiến công.[15] Tiểu đoàn 1 Trung đoàn 48 dù thắng nhưng bị thiệt hại nặng nề do bất lợi về địa hình.[9]

Ngày 25 tháng 10, 4 Tiểu đoàn bộ binh, 4 Tiểu đoàn pháo binh và 1 Tiểu đoàn thiết giáp của Pháp xuất phát từ Ghềnh, mở cuộc càn quét về phía Bỉm Sơn - Quý Hương, nơi nghi là căn cứ của Đại đoàn 320. Sau ba ngày hành quân mà không đem lại kết quả, sáng ngày 27 tháng 10, quân Pháp rút lui. Chỉ huy quân Pháp cho 1 Tiểu đoàn Lê dương và 1 Tiểu đoàn Thái ở lại bố trí phục kích. Tuy nhiên, hoạt động của lực lượng này đã bị một Tiểu đoàn thuộc Trung đoàn 48 theo dõi ngay từ đầu.[16] Lợi dụng khi quân Pháp đang tập kết, đội hình lộn xộn, Trung đoàn 48 tổ chức tập kích, truy kích quân địch đến Giốc Giàng, được một Đại đội thuộc Trung đoàn 64 đến tăng viện. Quân Pháp ở Rịa cho máy bay cùng hai Trung đội xe tăng đến cứu viện nhưng bị chặn đánh. Kết quả, hai Tiểu đoàn của Pháp bị tiêu diệt hoàn toàn ở khu vực Sòng Cạn - Giốc Giàng.[9] Một máy bay bị bắn hạ ở Trại Ngọc.[16]

Ngày 2 tháng 11, để "chào đón" Phó Tổng thống Mỹ Richard Nixon chuẩn bị đến khảo sát chiến trường, bộ chỉ huy quân Pháp cho mở cuộc hành quân tấn công thị trấn Nho Quan lần thứ hai.[16] Do lo sợ bị phục kích, quân Pháp di chuyển rất chậm. Đêm ngày 2 tháng 11, một Đại đội chủ lực của Trung đoàn 52 cùng dân quân du kích đã tập kích vào vị trí đóng quân của Pháp ở Văn Luân, loại khỏi vòng chiến đấu 100 kẻ địch.[17][18] Sáng ngày 3 tháng 11, Tiểu đoàn 391 Trung đoàn 52 tổ chức phục kích hai tiểu đoàn quân Pháp đang di chuyển từ Chợ Cầu (ngoài đường 59) vào làng Mống Lá. Sau 45 phút, bất chấp việc được không quân và pháo binh yểm trợ,[19] Tiểu đoàn 1 Trung đoàn Lê dương số 5 (5eREI) bị tổn thất 2 Đại đội cùng với 1 Đại đội tan rã.[9][17]

Ngày 4 tháng 11, Richard Nixon đến Ninh Bình, René Cogny cho quân "dọn dẹp" đường số 1, từ thị xã Ninh Bình tới Ghềnh, để bảo đảm an ninh. Đến ngày 6 tháng 11, Navarre ra lệnh rút lui.[19]