Chiến dịch Đông Bắc I được chia làm hai đợt tiến công: Đợt 1 từ ngày 8 tháng 10 đến ngày 30 tháng 10, đợt 2 từ 31 tháng 10 đến 7 tháng 12 năm 1948.

Trước ngày mở màn, Quân đội Nhân dân Việt Nam đã hoạt động tạo thế, diệt căn cứ Trại Thán của thổ phỉ theo phe Pháp sau ba lần đánh để triển khai lực lượng.

Đợt 1

Ngày 8 tháng 8, Quân đội Nhân dân Việt Nam nhất loạt nổ súng vào các vị trí An Châu, Đồng Dương, Tuấn Đạo, Sông Rang. Họ đã tiêu diệt được vị trí/cứ điểm Đồng Dương, bức rút ba vị trí Sông Rang, Tuấn Đạo và đồn Dấn. Nhưng lại không thành công trong việc đánh An Châu, quân Việt Nam chỉ chiếm được 2/3 vùng này.

Mười ngày sau, Pháp cho quân nhảy dù xuống Mai Siu tiến về An Châu. quân Việt Nam bỏ lỡ cơ hội diệt viện.

Trong thời gian này, tỉnh ủy Hồng Quảng phát động dân vận, phá 2.000 mét đường giao thông, cắt 50.000 mét dây điện thoại, diệt 27, làm bị thương 6, gọi hàng 114 quân Pháp và lính người Việt, giải tán 95% hội tề.

Trong thời gian từ ngày 9 đến ngày 30 tháng 10, quân Việt Nam tổ chức nhiều trận đánh nhỏ, quấy rối, phục kích trên đường 13.

Ngày 1 tháng 11, Việt Nam tiêu diệt cứ điểm Đồng Khuy.

Đợt 2

Sau đợt tiến công đầu, quân Pháp phản ứng quyết liệt. Pháp tổ chức tiến công khu tự do Ái Quốc, cho quân dù nhảy xuống Mai Siu càn quét căn cứ của Việt Minh, sau đó tiến về An Châu. Đồng thời tăng cường sục sạo kiểm soát ở Làng Bang, phòng thủ Hòn Gai, Đình Lập, Tiên Yên, Khe Tù; tổ chức hành quân ngăn chặn và phá kế hoạch tiếp tế của quân Việt Minh.

Quân đội Việt Nam gặp khó khăn, không đột nhập được vào vùng tạm chiếm để gây cơ sở và khai thác hậu cần tiếp tế cho bộ đội. Do đó, kế hoạch phát triển chiến dịch theo hướng Hòn Gai, Tiên Yên không được thực hiện. Bộ chỉ huy chiến dịch phải chuyển hướng sang khu vực Khe Cháy, Pắc Lang, Châu Sơn.Do chuyển hướng gấp, bộ đội chuẩn bị chưa đầy đủ nên cả hai lần tiến công, tiểu đoàn 29 và 215 không dứt điểm được Khe Cháy.Ngày 25 tháng 11, tiểu đoàn 18 tiến công Khe Mó cũng không thành công.Ngày 29 tháng 11, các tiểu đoàn 29 và 426 đánh viện nhỏ.Sau đó, quân Việt Nam tiếp tức tiến công Pắc Lang, Châu Sơn và phá hoại đường số 4 nhưng kết quả không cao. Tình hình bảo đảm hậu cần khó khăn. Bộ đội ốm đau, sức khoẻ giảm sút nhiều. Bộ chỉ huy quyết định kết thúc chiến dịch ngày 7 tháng 12.