Ngày 31 tháng 12 năm 1950, Trung tá Vanuxem được cử làm chỉ huy trưởng GM3 thay cho Trung tá Muller. Ngày 2 tháng 1 năm 1951, tướng Raoul Salan thay tướng De Latour làm Tư lệnh Chiến trường Bắc Kỳ. Cũng trong đầu tháng 1, đội tuần tra của Pháp tại Vĩnh Yên đã bắt được một tù binh và phát hiện được bản đồ dự kiến của chiến dịch, theo đó xác định các hướng tấn công của tướng Giáp. Tuy nhiên, bộ tham mưu của tướng De Lattre vẫn nghi ngờ vì cho rằng đây chỉ là đòn nghi binh của tướng Giáp.

Tuy nhiên, ngày 12 tháng 1 năm 1951, Sở chỉ huy của tướng Giáp đã di chuyển lên Tam Đảo. Đêm 13, trung đoàn 141 (Đại đoàn 312) tấn công Bảo Chúc, vị trí cách Vĩnh Yên 11 km về phía Tây Bắc. Do bị bất ngờ, quân Pháp chống cự yếu ớt. Sáng ngày 14, GM3 cho quân lên cứu Bảo Chúc. Tiểu đoàn Mường tới Thủy An thì bị trung đoàn 209 (Đại đoàn 312) chặn đánh, lui về Cẩm Trạch. Các tiểu đoàn khác cũng bị Đại đoàn 308 chặn đánh ở Đạo Tú. Dưới sự yểm trợ mạnh mẽ của không kích và pháo kích, GM3 cuối cùng cũng rút được về Vĩnh Yên, với một tiểu đoàn bị xóa sổ và một tiểu đoàn khác bị thiệt hại nặng. Quân Việt Minh thừa thắng chiếm một loạt các cao điểm sát bên ngoài thị xã. Đến chiều ngày 14, Vĩnh Yên hoàn toàn bị bao vây.

Ngay sau khi Vĩnh Yên bị bao vây, nhằm giải tỏa bớt áp lực cho Vĩnh Yên, Salan lập tức điều GM1 (còn gọi là Binh đoàn cơ động Bắc Phi - GMNA) tiến lên Phúc Yên để thọc vào sườn QĐNDVN, và một tiểu đoàn dù nhảy xuống Đồng Đau cách Vĩnh Yên 5 km. Sau khi De Lattre từ Sài Gòn ra Hà Nội, đã chỉ thị cho Salan và Redon tới Vĩnh Yên, quyết định đưa GM1 từ Phúc Yên đánh sang hướng tây tiến về Vĩnh Yên, đồng thời gọi thêm không kích chi viện; GM2 từ Lục Nam vào Vĩnh Yên để làm lực lượng dự phòng; ra lệnh cho Tham mưu trưởng Allard lấy 5 tiểu đoàn từ Nam Bộ đưa ra Bắc. Sau đó, De Lattre chỉ thi cho Đại tá chỉ huy không quân Maricourt sử dụng bom napalm Mỹ vừa cập cảng Hải Phòng và huy động toàn bộ máy bay dội bom vào các đơn vị QĐNDVN tại Vĩnh Yên.

Đêm ngày 14, Cơ quan tham mưu của QĐNDVN bắt được bức điện của Vanuxem gửi Salan: "Vĩnh Yên est pratiquement encerclé" ("Vĩnh Yên thực sự bị bao vây"). Nửa đêm, tướng Giáp điện cho chỉ huy Lê Trọng Tấn và Vương Thừa Vũ, hỏi liệu có thể điều ngay 1 trung đoàn đánh vào Vĩnh Yên, nhưng cả hai đại đoàn đều không nắm được các đơn vị đang vận động nên xin cho đánh vào đêm 15. Cơ hội đã bị bỏ qua.

Sáng ngày 15, GM1 được lệnh hành quân tiến dọc theo đường số 2 lên Vĩnh Yên thì gặp phải trận địa của trung đoàn 102 ở Ngoại Trạch (Bình Xuyên), Khai Quang, Mậu Thông (Tam Dương), bị đánh bật cánh trái, lui về Hương Canh. QĐNDVN thực hiện chia cắt, bao vây 2 đại đội của tiểu đoàn 3 trung đoàn 1 bộ binh Algérie. GM1 lâm vào tình thế chống đỡ, dù có sự hỗ trợ của 70 lượt máy bay ném bom napalm vào đội hình QĐNDVN nhưng vẫn tiến lên rất chậm chạp. Mãi đến chiều tối, GM1 mới tới được thị xã Vĩnh Yên. Lúc 4 giờ 30 chiều, ngày một chiếc máy bay chở De Lattre và Salan tới Vĩnh Yên. Đến tối, vì phải cứu chữa thương binh nên QĐNDVN giãn bớt vòng vây.

Đêm 15, sáng 16 tháng 1, GM1 và GM3 chia làm 3 hướng đánh chiếm núi Đanh - dải núi đất chạy dài ở phía bắc và Đông Bắc thị xã Vĩnh Yên 6–7 km. Hai binh đoàn này cùng tiến công cố gắng đánh bật quân Việt Minh ra khỏi các cao điểm ở phía bắc.

Bộ chỉ huy của tướng Giáp nhận thấy thị xã Vĩnh Yên đã được củng cố, còn những điểm cao ngoài thị xã mới bị chiếm đều chưa có công sự vững chắc nên đã bỏ phương án tiến công Vĩnh Yên, chuyển hướng tập trung lực lượng tiến công núi Đanh.

Lúc 13 giờ 30 ngày 16, các đơn vị QĐNDVN xuất kích. Trung đoàn 209 chiếm các điểm cao 70, 103. Lúc 5 giờ chiều, trung đoàn 36 chiếm điểm cao 157. Sau đó trung đoàn 209 chặn đánh một cánh quân của GM3 từ Vĩnh Yên lên khiến cho cánh quân này phải lùi về thị xã. Ngày 16, 2 đại đoàn 308 và 312 mở cuộc tiến công lớn, các trận đánh lớn diễn ra ở điểm cao 101 và 210 (Núi Đanh), quân Pháp phải dùng máy bay ném bom hỗ trợ. QĐNDVN dùng tối đa cách đánh giáp lá cà giành được thắng lợi lớn.

Sáng ngày 17, QĐNDVN chiếm điểm cao 101, đánh thiệt hại nặng một tiểu đoàn Maroc, thừa thế chiếm cao điểm 47, tuy kiểm soát được tuyến giữa nhưng lực lượng đã bị tiêu hao nhiều. Quân Pháp vẫn chiếm giữ được các cao điểm 210 và 157 ở hai cánh. Ở điểm cao 210, lực lượng của Đại đoàn 308 cố gắng tấn công nhưng không đạt kết quả.

Trưa ngày 17, quân Pháp một lần nữa dốc sức cố gắng đánh bật quân Việt Minh ra khỏi các cao điểm. Toàn bộ các binh đoàn GM1, 2, 3 đều được huy động, cộng với sự chi viện tối đa của không quân, bom napalm cũng được sử dụng. Do quân Việt Minh chưa quen chiến đấu phòng thủ, lại thêm các điểm cao mới chiếm được đều chưa có công sự vững chắc, đội hình đều ở thế trống trải nên bị tổn thất nặng nề bởi bom pháo.

Nhận thấy việc cố gắng tấn công Vĩnh Yên không còn kết quả, lúc 2 giờ sáng ngày 18 tháng 1 năm 1951, Bộ chỉ huy của tướng Giáp đành phải hạ lệnh kết thúc chiến dịch. Các đơn vị Quân đội Nhân dân Việt Nam chủ động rút lui toàn bộ. Đến sáng 18 thì quân Pháp đã kiểm soát hoàn toàn khu vực Vĩnh Yên.