Sau khi chỉ huy biên đội bắn hạ 2 chiếc F-8E, ông hạ lệnh cho các đồng đội trở về. Tuy nhiên, do phát hiện 1 chiếc F-8E đơn độc bay vòng lại, ông quay lại thế công kích để yểm hộ toàn biên đội rút lui an toàn, một mình tiếp tục truy đuổi máy bay đối phương đang tìm cách thoát ra phía biển. Ông bám sát suốt từ Hàm Rồng về đến cửa Thái Bình mới bắn trúng được đối phương. Tuy nhiên, chiếc F-8E may mắn này chỉ bị thương, vẫn thoát được ra biển và phi công được Hải quân Mỹ tiếp cứu sau đó.

Đến lúc này ông mới phát hiện chiến máy bay MiG-17A do mình điều khiển đã gần hết nhiên liệu, trục la bàn bị gãy do thực hiện quá nhiều độc tác ngoặc gấp, không còn định hướng được nữa. Ông điện về báo cáo với chỉ huy rồi tự tính toán, phán đoán đường bay, lần theo tả ngạn sông Hồng ngược về căn cứ. Khi máy bay báo hết nhiên liệu, ông xin chỉ thị cấp trên 2 lần và đều được lệnh khẩn phải nhảy dù ngay ra khỏi máy bay để bảo toàn sự sống. Tuy nhiên, ông chần chừ vì "Lúc ấy nghĩ xót quá. Chiếc máy bay này vừa mới cùng mình lập chiến công, bỏ đi không đành. Mà bỏ đi là bỏ cả đống của chứ ít đâu". Vì vậy, ông quyết định hạ cánh bằng thân máy bay tại một bãi bồi trồng ngô ven sông Đuống.

Hạ cánh bằng thân máy bay trên mặt đất là một quyết định mạo hiểm, nhất là với điều kiện hoàn toàn không có phương tiện cứu hộ nếu có sự cố xảy ra. Vì vậy trường hợp hạ cánh của Phạm Ngọc Lan là một trong số ít trường hợp hạ cánh hy hữu trên thế giới. Với bản lĩnh, kỹ thuật và một chút may mắn, ông đã hạ cánh thành công mà không phải bỏ máy bay. Dù vậy, bản thân ông cũng bị thương nhẹ do bị va đập mạnh và bị kính buồng vỡ đâm vào mặt. Tuy cú hạ cánh mạo hiểm của ông thành công, chiếc máy bay vẫn bị hư hỏng nặng không thể bay được nữa, nên về sau được các kỹ sư tháo phụ tùng để dùng cho máy bay khác.[6]