Đợt 1:

Vào lúc 3h30 chiều 18/08/1966, tổ trinh sát của Quân Giải phóng báo cáo có một đại đội lính Úc (theo nguồn của Úc thì chỉ có tiểu đội 11 của trung đoàn 6, do thiếu úy Úc Gordon Sharp chỉ huy, đang đi kiểm soát trong khu rừng cao su gần xã Long Tân) đang bí mật tiến về hướng trận địa của Tiểu đoàn 2 thuộc Trung đoàn 5, cách 650 mét, theo sau là 2 đại đội khác cùng 4 xe tăng và xe bọc thép, cự ly 2 nhóm lính Úc là 1,5 km.

Quân Giải phóng chờ lính Úc đến gần công sự (chỉ còn cách 10m) mới nổ súng khiến 8 lính Úc chết ngay tại chỗ. Sau khi bị phục kích bất ngờ, lực lượng tăng-thiết giáp của Úc bắn xối xả vào đội hình của Quân Giải phóng. Lợi dụng lúc tăng-thiết giáp đang tập trung đánh Tiểu đoàn 2, đội trinh sát sử dụng súng chống tăng RPG-2 tấn công xe tăng đi đầu của Úc khiến các xe sau mất tập trung để tạo điều kiện cho lực lượng súng ĐKZ bắn cháy xe tăng-thiết giáp đi thứ hai. Do bị phục kích bất ngờ và nhiều lính còn thiếu kinh nghiệm nên trong lúc tái tập hợp đội hình và tìm nơi tránh đạn, nhiều lính Úc đã dẫm phải bãi mìn do Quân Giải phóng cài từ trước. phía Úc tiếp tục thiệt hại khoảng 1 trung đội.

Đợt 2:

Lực lượng của tiểu đoàn 1 và 3 của Quân Giải phóng phía sau tiến hành hỗ trợ và bọc lót cho Tiểu đoàn 2 đã giao chiến trong Đợt 1. Quân Giải phóng thực hiện chiến thuật cài răng lược khi tiến hành đan xen và đánh giáp lá cà với lính Úc để hạn chế pháo kích của Úc. Tuy nhiên phía Úc vẫn tiếp tục sử dụng pháo từ căn cứ tại Núi Đất và pháo hạm nhằm chi viện cho lực lượng Úc tại Long Tân. Phía Quân Giải phóng sau đó sử dụng chiến thuật bao vây khi Tiểu đoàn 3 chặn đầu còn Tiểu đoàn 1 khóa đuôi trong khi 2 xe tăng-thiết giáp còn lại và pháo binh của Úc vẫn tiếp tục triển khai hỏa lực. Theo nguồn của phía Việt Nam, Quân đội Úc thiệt hại gần 1 tiểu đoàn, riêng chiến sĩ Lê Tấn Tao của Quân Giải phóng đã sử dụng AK-47 và B-40 tiêu diệt 36 lính Úc[14].

Theo phía Việt Nam, trận giao chiến cơ bản đã kết thúc vào 17h cùng ngày và Quân Giải phóng tiến hành rút lui sau khi Quân đội Úc không còn khả năng tiến sâu hơn nữa để tấn công các căn cứ của QGP ở Long Tân. Tuy trong trận Long Tân, Quân đội Úc mặc dù gây nhiều thiệt hại cho QGP nhưng chưa đủ khả năng đơn phương đối đầu với lực lượng chủ lực của QGP và vẫn phải giữ vai trò hỗ trợ Quân đội Mỹ trong Chiến tranh Việt Nam[15].