Đợt 1

Mặc dù kế hoạch của Quân Giải phóng là 14/02 mới mở màn tuy nhiên ngày 10/02, Quân đội Mỹ đã nổ súng tấn công Quân Giải phóng ở đông sông Sa Thày cách cứ điểm Pki Jirăng khoảng 12km về phía tây với hai mũi tấn công bao gồm 01 tiểu đoàn xuyên rừng chiếm cao điểm 346 và 1 tiểu đoàn thêm 1 đại đội pháo binh hỗ trợ đổ bộ xuống cao điểm 300. Quân Giải phóng rút lui sau đó tiến hành đúng kế hoạch ban đầu. Vào ngày 14/02, lúc 18h00, tiểu đoàn 8 của trung đoàn 66 tập kích đánh tiêu diệt 2 đại đội Mỹ, bắn rơi 4 máy bay lên thẳng ở cao điểm 346 ở phía đông song Sa Thầy. Sáng sớm ngày 15/02, khoảng 15h30, trung đoàn 320 tổ chức pháo kích vào cao điểm 300, tiêu diệt một số lính Mỹ và buộc đối phương rút lui, phá hủy 1 máy bay lên thẳng. 10h00 cùng ngày, Quân đội Mỹ bổ sung thêm 01 đại đội để cố thủ cao điểm 346. Sau đó 2h đồng hồ, Quân Giải phóng triển khai tiểu đoàn 7 trung đoàn 66 phục kích diệt đại đội C (Charlie) thuộc tiểu đoàn 2 trung đoàn 8 lữ đoàn 2 Mỹ, bắn rơi 2 máy bay ở khu vực Mít Dép, gần sông Sa Thầy. Tại cao điểm 300, Quân Giải phóng tiếp tục triển khai iểu đoàn 4 trung đoàn 320 vận động tiến công 2 đại đội (A và C) của tiểu đoàn 1, lữ đoàn 2 Quân đội Mỹ khiến 1 đại đội và 1 trung đội của Mỹ bị tiêu diệt hoàn toàn. Đêm ngày 15/02, Tiểu đoàn 3 Trung đoàn 40 pháo binh Quân Giải phóng tấn công sở chỉ huy lữ đoàn 2 Mỹ tại Sùng Thiện khiến khoảng 30 lính Mỹ thiệt mạng, 1 trực thăng bị phá hủy.

Từ ngày 16-20/02, Quân Giải phóng vây ép cao điểm 300 và 346, nơi Quân Mỹ đổ bộ và đang cố thủ. Ngày 21/01, Quân Giải phóng đã đánh bật đợt tấn công của Quân đội Mỹ vào cao điểm 621 khiến 01 đại đội Mỹ bị tiêu diệt. Ngày 25/02, khi tiểu đoàn 1 trung đoàn 12 lữ đoàn 2 Mỹ tiến ra phía tây điểm cao 346 bị đại đội 1 của tiểu đoàn 1 trung đoàn 88 Quân Giải phóng đánh chặn khiến nhiều binh sỹ Mỹ thiệt mạng, 01 trực thăng bị phá hủy. Để củng cố cao điểm 300, Quân đội Mỹ triển khai thêm 01 tiểu đoàn xuống phía bắc của cao điểm. Từ 19-25/02/1967, Quân đội Mỹ bổ sung thêm Sư đoàn 4, 02 tiểu đoàn biệt động quân và 01 chi đoàn thiết giáp của Việt nam cộng hòa.

Ngày 03/03, 1 đại đội của tiểu đoàn 4, trung đoàn 320 Quân Giải phóng đánh tao ngộ với lính Mỹ ở bắc cao điểm 300 diệt 1 trung đội Mỹ. Chiều cùng ngày, 02 đại đội Mỹ di chuyển nhằm cố thủ cao điểm 289 nhưng rạng sáng ngày 04/03 bị Quân Giải phóng tiêu diệt. Quá trình vây lính Mỹ tại cao điểm 300 và 346 tiếp tục kéo dài đến ngày 08/03. Trong khoảng từ 04-08/03, Quân Giải phóng đã 05 lần pháo kích bằng súng cối vào 02 cao điểm này nhưng vẫn chưa đẩy được lính Mỹ ra khỏi vị trí. Cùng lúc, lực lượng phòng không Quân Giải phóng sử dụng súng 12.7mm hạ 18 máy bay trực thăng của đối phương, 16 xe bộ binh cơ giới bị công binh QGP tiêu diệt bằng mìn. Đến 14h ngày 08/03 do không còn sức kháng cự, Quân Mỹ tổ chức rút quân khỏi cao điểm 346 nhưng trên đường rút lui tiếp tục thiệt hại 119 lính, 05 máy bay trực thăng, 01 pháo 105mm. Cùng lúc này tại Đăk Lăk, một ấp chiến lược và 02 trung đội VNCH bị tiêu diệt.

Đợt 2

Sau khi rút khỏi cao điểm 346, Quân đội Mỹ tập trung củng cố cao điểm 300, tăng cường hoạt động phi pháo, rải bom bằng máy bay B52 và thả chất độc hóa học nhằm tiêu hao lực lượng của Quân Giải phóng. Quân đội Mỹ tiếp tục triển khai Sư đoàn 02 ở cao điểm 300 và cố gắng đánh chiếm cao điểm 621, triển khai sư đoàn 04 đến sông Pô Kô làm lực lượng dự bị.

Ngày 11/03, đợt 2 của chiến dịch chính thức bắt đầu. Trong ngày 11/03, Tiểu đoàn 7 của QGP đã tiêu diệt 03 đại đội của lính Mỹ. Ngày 13/03, Sư đoàn 1 Quân Giải phóng tổ chức pháo kích 03 đợt vào nơi đồn trú của lính Mỹ tại Sùng Thiện khiến 2 tiểu đoàn pháo, 1 lữ đoàn và 1 đại đội bộ binh Mỹ, 2 đại đội Biệt động quân VNCH. Tổng cộng, các trận pháo kích khiến 350 lính Mỹ, 75 lính Việt nam cộng hòa thiệt mạng, 8 khẩu pháo, 7 trực thăng và 30 xe quân sự bị phá hủy. Trong đêm ngày 13, Sư đoàn 1 QGP tiếp tục pháo kích vào cao điểm 621 và 300 khiến 1 đại đội pháo của Mỹ thiệt hại nặng.

Sau khi lực lượng Việt Nam cộng hòa ở Đức Cơ, Plây Me, Kon Brai rối loạn, Trung đoàn 66 của Quân Giải phóng được triển khai ở Chư Ba để chuẩn bị nghênh chiến với quân tiếp viện của Mỹ. Đúng như dự đoán, sáng ngày 15/3, Sư đoàn 2 của Mỹ triển khai 1 lữ đoàn nhưng đúng phải trận địa mìn của QGP đồng thời bị pháo kích bằng cối khiến 01 trung đội thiệt mạng. Ngày 14/3, Quân Giải phóng tiếp tục vây ráp cao điểm 300 khiến Quân đội Mỹ buộc phải triển khai 2 đại đội ra phía Tây Nam cao điểm để phá vây. Tuy nhiên, do bị phục kích sẵn nên 2 đại đội này thiệt hại gần hết. Ngày 15/3, do không sức ép của Quân Giải phóng quá lớn, Quân đội Mỹ phải rút khỏi cao điểm 300. Sau khi chiếm được cao điểm 300, Quân Giải phóng tiếp tục tăng cường vòng vây với cao điểm 621. Ngày 21/3, Quân Giải phóng tấn công cao điểm 621 khiến gần 2 đại đội Mỹ thiệt mạng. Cùng ngày, Trung đoàn 95 Quân Giải phóng tố chức đánh Plây Me, Plây Mo Rông và Đức Cơ khiến 1 đại đội bộ binh, 1 đại đội biệt kích đến tăng cường của Mỹ bị tiêu diệt. Ngày 23/3, Tiểu đoàn Mỹ ở Chư Ba tiến về phía tây bị Tiểu đoàn 101 QGP phục kích, khiến thiệt hại gần 2 đại đội. Ngày 26/3, Quân đội Mỹ bị buộc phải rút khỏi Chư Ba, ngày 01/4 rút quân khỏi Sùng Thiện. Do chưa chuẩn bị kỹ nên Quân Giải phóng không thể tấn công truy kích lực lượng Mỹ đang rút lui.Cùng lúc lính Mỹ rút lui, Quân Giải phóng tổ chức tấn công lính Mỹ tại Chư Păk, Chư Prông (Gia Lai) bằng mìn khiến 30 xe quân sự của đối phương bị pháp hủy. Từ ngày 27-28/3, Quân Giải phóng ở Pa Kha và Kon Tum tấn công khiến 1 đại đội biệt kích Mỹ, 2 máy bay và 148 lính VNCH bị tiêu diệt.Sau khi rút khỏi Sùng Thiện, Sư đoàn 4 của Mỹ triển khai Lữ đoàn 1 ở Sùng Lễ - Lệ Thanh, Lữ đoàn 2 rút về Plei Ku. Ngày 2/4, Quân lực VNCH triển khai Tiểu đoàn 11 ở Tân Lạc, Thanh Giáo, Lê Ngọc để tranh giành quyền kiểm soát các vùng dân sự với Quân Giải phóng. Cùng ngày, Quân Giải phóng bị Tiểu đoàn 22 VNCH tấn công trên đường 15. Đây là sự kiện khiến Quân Giải phóng phải tạm ngừng tấn công đợt 2 để chuẩn bị đợt 3.

Đợt 3

Ngày 29/3, đợt 3 chính thức bắt đầu. Tiểu đoàn 1 của Quân Giải phóng bắt đầu tiến hành vây ép đối phương ở Thăng Đức và chiếm được phía Nam đường 19. Ngày 06/4, Quân Giải phóng tổ chức pháo kích Chư Ba. Ngày 20/4, do không cầm cự được nên Tiểu đoàn 22 và chi đoàn xe bọc thép QLVNCH phải rút về Đức Cơ nhưng trên đường rút bị Tiểu đoàn 3 Trung đoàn 88 QGP chặn đánh khiến thiệt mạng 1 trung đội, cháy 3 xe bọc thép và rơi 1 máy bay. Cùng ngày, lính Mỹ ở Sùng Lễ bị pháo kích. Trong khi đó, ở Plei Me, Trung đoàn 95 QGP đã phục kích, tiêu diệt 2 đại đội Mỹ. Ngày 21/4, lực lượng Mỹ mất Thăng Đức.

Ngày 29/4, Quân đội Mỹ triển khai 1 đại đội bộ binh và 1 đại đội pháo binh tại đông nam Đức Vinh nhưng đến sáng ngày 30/4 bị Quân Giải phóng pháo kích khiến 40 lính Mỹ thiệt mạng và lực lượng Mỹ phải rút lui. Cùng ngày 30/4, Trung đoàn 95 QGP chống càn ở Plây Ya Pran đã diệt 80 lính Mỹ. Ngày 30/4, sau ý đồ kéo liên quân Mỹ - Việt nam cộng hòa lên Tây Nguyên thành công, QGP quyết định ngừng Chiến dịch Sa Thầy để chuẩn bị tổ chức Chiến dịch Đắk Tô - Tân Cảnh.