Mồng 5 Tết thì quân đội Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng Hòa mới bắt đầu phản công với 16 tiểu đoàn, khoảng 15.000 quân thuộc các đơn vị:

• Lực lượng Hoa Kỳ gồm Tiểu Ðoàn 2/5 TQLC có 3 đại đội và 1 chi đoàn chiến xa xuất phát từ cứ điểm MACV Thừa Thiên cộng với Chiến Ðoàn RAY gồm 2 đại đội TQLC Hoa Kỳ xuất phát từ đầu cầu An Cựu. Các lực lượng này được phân công giải tỏa khu vực hữu ngạn sông Hương. Ngoài ra, cũng cần kể đến một lực lượng khác nằm án ngữ ở phía Tây Bắc và Tây Nam của thành phố Huế. Đó là Sư Ðoàn 1 Không Vận Hoa Kỳ mới được đưa từ An Khê ra trước Tết ứng phó với tình hình chiến sự tại Khe Sanh.
• Lực lượng Việt Nam Cộng Hòa gồm Chiến Ðoàn 1 Nhảy Dù với 3 tiểu đoàn và 1 chi đoàn thiết vận xa xuất phát từ phía Bắc Thành Nội tiến vào. Tiểu Ðoàn 9 Nhảy Dù được trực thăng vận từ Quảng Trị đến thành Mang Cá vào chiều ngày mồng 4 Tết và xuất phát từ đây tiến vào Thành Nội. Chiến Ðoàn Nhảy Dù còn được tăng cường thêm các đơn vị của Sư Ðoàn 1 Bộ Binh để giải tỏa khu vực tả ngạn sông Hương.

Bộ Tư lệnh Mỹ đang đứng trước hai ngả. Một là thận trọng mà tiến, chiếm từng nhà bằng cận chiến vũ khí cá nhân, chấp nhận thương vong cao cho binh sĩ. Hai là quyết tâm đánh mau đánh mạnh, dùng hỏa lực mạnh như bom, pháo để nhanh chóng đánh bật Quân Giải phóng miền Nam, nhưng như vậy sẽ buộc dân chúng Huế phải chấp nhận tổn thất rất lớn. Cuối cùng họ chọn cách thứ 2. Ngay cả máy bay B-52 cũng được trưng dụng để ném bom trải thảm vào thành phố.

Điều tai hại là bom Mỹ khi bỏ trượt mục tiêu quân sự sẽ gây đổ nát nhà cửa, trường học, công trình dân sự. Trong hồi ký, Westmoreland kể lại[9]:

Lúc trận đánh bắt đầu, quân Việt Nam Cộng hòa và lính thủy đánh bộ (Mỹ) chiến đấu không dùng xe tăng, pháo binh và không quân yểm trợ vì muốn bảo vệ thành phố giàu di sản quý báu này nhưng vì địch bám giữ một cách dai dẳng nên cứ theo cách đó thì mất quá nhiều sinh mạng lính Mỹ và binh lính Việt Nam Cộng hòa. Tổng thống Thiệu bèn cho phép dùng bất kỳ phương tiện nào cần thiết để lấy thành phố Huế. Sự tàn phá không tránh khỏi đã xảy ra!....

Ngày mồng 5 Tết, quân Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng hòa đã tái chiếm được một nửa sân bay Thành Nội và cửa An Hòa. Trong trận này quân Giải phóng thương vong 77 người, mất 27 súng đủ loại. Phía Hoa Kỳ và quân đội Việt Nam Cộng Hòa bị thiệt hại nhẹ. Trong ngày mồng 6 Tết, tức 4 tháng 2/1968 quân Giải phóng miền Nam nhờ các pháo đài cũ thiết lập thời Pháp cầm chân lực lượng Việt Nam Cộng Hòa trong khu vực Thượng Tứ và Kỳ đài khiến họ không tiến lên được.

Về phía tả ngạn, Tiểu Ðoàn 2/5 TQLC Hoa Kỳ tấn công giải tỏa tại khu Đại học Huế và Bộ Chỉ Huy MACV. Cứ tiến lên rồi lại bị đẩy lui về, do đó việc giải tỏa khu vực hữu ngạn sông Hương đã chậm trễ và kéo dài trong nhiều ngày. Các đơn vị của Tiểu Ðoàn 2/5 TQLC Hoa Kỳ đã giải tỏa được áp lực cho nhiều cơ sở quân sự và cho nhiều khu dân cư, nhưng sau ít giờ chiếm đóng các đơn vị này lại phải rút lui.

12 giờ trưa ngày 10/2/1968, UPI đưa tin “Sau 4 ngày giao tranh, quân đồng minh (Mỹ) chỉ tiến được 180m. Giờ phút này lính thủy đánh bộ không thể di dịch được... Lá cờ của Việt Cộng vẫn bay ngạo nghễ trên cổng chính phía Nam thành phố Huế”. Ngày ngày, thậm chí từng giờ, các hãng tin quốc tế dồn dập loan đi loan lại sự kiện “mất Huế”. Tướng Westmoreland nổi giận thực sự, ông ta ném quân Mỹ ồ ạt “tái chiếm” và nổ súng từ ngày thứ 7 của đợt tổng tiến công[9].

Vào 11 giờ 30 sáng mồng 9 Tết, được tăng cường thêm 2 tiểu đoàn từ phía An Hòa - Kim Long, quân Giải phóng miền Nam mở một cuộc tấn công vào Tiểu Ðoàn 4/3 trú đóng tại Chánh Tây, gây cho quân đội Việt Nam Cộng Hòa nhiều thương vong, thất lạc một số máy truyền tin cùng vũ khí khá quan trọng mà chỉ mất 7 người. Cũng trong đêm 9 Tết tức 7 tháng 2/1968, quân Giải phóng giật mìn sập cầu Tràng Tiền để ngăn xe tăng đối phương tiến vào Huế.

Ngày 10 Tết, lực lượng Hoa Kỳ chiếm lại Tòa Đại biểu còn lực lượng hành quân Việt Nam Cộng Hòa trong khu vực tả ngạn không tiến lên được. Đến ngày 9 tháng 2/1968, tức 11 âm lịch, quân Giải phóng miền Nam phân tán mỏng và rút lui về phía Nam Giao.

Để thanh toán Quân Giải phóng miền Nam còn bám trong dân, Tiểu Khu Thừa Thiên đã điều động một số lính Địa Phương Quân của Quận Hương Thủy và các khóa sinh của Trung tâm Huấn luyện Đống Đa tại Phú Bài để mở các cuộc hành quân lục soát và kiểm soát các khu phố đã được giải tỏa.

Quân Mỹ thương vong tại Huế trong trận Mậu Thân

16 giờ ngày 10 tháng 2/1968, một đơn vị TQLC Hoa Kỳ được trực thăng vận tới tăng viện cho Tiểu Ðoàn 2/5 bên khu vực hữu ngạn sông Hương dù thời tiết rất xấu, trong khi đó, 1 tiểu đoàn TQLC khác được di chuyển bằng xe từ Phú Bài vào thành phố Huế. Cũng trong ngày này 1 chiếc LCU của Hải Thuyền Việt Nam đã cập bến trước Trường Ðại Học Sư phạm chở các đồ tiếp tế từ Bộ Tư lệnh Sư Ðoàn 1 bên tả ngạn sông Hương sang hữu ngạn cho các cơ quan quân sự của Tiểu Khu Thừa Thiên. Lúc này Gia Hội vẫn hoàn toàn do Quân Giải phóng miền Nam kiểm soát. Hai phần ba đường Phan Bội Châu cũng vậy. Trong Thành Nội họ cũng chiếm được nhiều cao điểm và nhà dân.

Vào sáng ngày 12 tháng 2/1968, quân Việt Nam Cộng hòa được tăng cường 1 đơn vị tiền thám của Chiến Ðoàn A TQLC, hồi 18 giờ một đơn vị TQLC Hoa Kỳ cũng đã băng qua sông Hương sang bên tả ngạn cập bến Bảo Vinh vào Thành Nội qua cổng hậu. Sáng ngày 13 tháng 2/1968, TQLC Hoa Kỳ tiếp tục đổ bộ lên bến Bảo Vinh.

Nhờ trời quang mây tạnh trong 3 ngày liền 14, rằm (15) và 16 Âm lịch Chiến Ðoàn A TQLC Việt Nam Cộng hòa từ Sài Gòn đến để thay thế cho Chiến Ðoàn Nhảy Dù đã thiệt hại quá nhiều được về lại Sài gòn nghỉ ngơi và bổ sung. Chiến Ðoàn A TQLC Việt Nam Cộng hòa được mang đến Phú Bài, dùng tàu vượt sông đổ bộ lên bến Bao Vinh. Hai trong 3 Tiểu đoàn TQLC đã đổ bộ an toàn vào Thành Nội ngày 12 tháng 2/1968.

Cuộc hành quân của Chiến Ðoàn A TQLC Việt Nam tại chiến trường Huế nay được đặt mật danh là "Cuộc Hành Quân Sóng Thần 739/68," khởi diễn từ Thành Nội vào sáng ngày 14 tháng 2/1968, Tiểu Ðoàn 1 do Thiếu tá Phan Văn Thắng chỉ huy và Tiểu Ðoàn 5 do Thiếu tá Phạm Văn Nhã làm tiểu đoàn trưởng.

Chiến Ðoàn A TQLC Việt Nam chia làm 2 cánh quân. Cánh thứ nhất là Tiểu Ðoàn 1, cánh thứ hai là Tiểu Ðoàn 5. Mục tiêu đầu tiên là tiến tới trại Cao Thắng của Đại đội 1 Quân Cụ làm căn cứ tiền tuyến. Trại này đã do 80 lính Việt Nam Cộng Hòa cố thủ trong 15 ngày dưới quyền chỉ huy của Đại úy Trần Kim Huê và Trung úy Nguyễn Văn Cáp. Họ cho biết kho quân cụ này rất quan trọng vì tồn kho rất nhiều vũ khí, đạn dược, đủ loại kể cả 1.400 súng M-16 là súng tối tân của Mỹ, nếu Quân Giải phóng miền Nam chiếm được kho súng đạn này thì thật là "một đại họa" cho Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng Hòa.

Súng không giật 106mm của Mỹ bắn đạn đinh có sức sát thương hàng loạt và phá hủy nhà cửa rất mạnh

Hôm 14 tháng 2, lần đầu tiên trong trận đánh 16 ngày tại Huế, phi cơ đã ném bom vào những bức tường kiên cố. Các loại bom được dùng là bom napalm, hỏa tiễn 6.8 inch và bom hơi cay thả vào các vị trí Quân Giải phóng miền Nam. Hôm 15 tháng 2/1968, các phi cơ Hoa Kỳ đã thả các loại bom 250, 500 và 750 cân Anh. Các chiến xa M-50 Ontos sử dụng súng không giật 107 ly bắn đạn tạo mưa mảnh đinh có sức sát thương và phá hủy công trình rất lớn cũng được sử dụng tối đa.

Quân Giải phóng cố tìm cách giữ những yếu điểm ở dọc các bức tường về phía đông bắc và tây nam mặc dù bị tấn công nhiều đợt. Trận đánh ở Huế trở nên gay go vì thời tiết trở lạnh và vì cuộc chiến diễn ra trong từng căn nhà một, bàn ghế được mang ra chất ngổn ngang để làm chướng ngại vật ngăn quân Mỹ. Ổ kháng cự chính của các chiến sĩ quân Giải phóng nằm dọc theo bức tường phía tây nam của pháo đài rộng 2 dậm vuông và chiếm giữ khu nội điện nằm trong Thành Nội.

Ngày 16 tháng 2/1968 tại khu Thành Nội Huế, phi cơ F-8 Crusader thả bom thậm chí đã dùng cả bom napalm oanh kích vào các vị trí của quân Giải phóng.

Ngày 18 tháng 2/1968, việc tiến quân của Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng Hòa gặp rất nhiều khó khăn, chậm chạp, thời tiết xấu, trực thăng không thể tiếp tế được. Một đoàn xe Việt Nam Cộng Hòa đi từ Phú Bài đã bị pháo kích. Hai bên giao tranh nhiều lần suốt ngày. Phi cơ chiến đấu không yểm trợ được vì thời tiết xấu, khí hậu lạnh và có sương mù thấp cách mặt đất chừng 150 mét.

Lúc 4 giờ 30 ngày 19 tháng 2/1968, 2 tiểu đoàn của Mặt trận Dân tộc Giải phóng miền Nam Việt Nam tại khu vực phía tây nam Thành Nội Huế tấn công vào vị trí của Tiểu Ðoàn 1 TQLC Việt Nam cộng hòa, khoảng 300 trái đạn súng cối 82 ly và B-40 bắn vào vị trí của tiểu đoàn này gây thiệt hại. Ngày 20 tháng 2/1968, tại Thành Nội vẫn còn khoảng chừng 350 quân Giải phóng tiếp tục chiến đấu, cầm cự ở những vị trí kiên cố. Trước khi đánh vào Thành Nội, các đơn vị Hoa Kỳ và Việt Nam Cộng Hòa đã truyền loa kêu gọi ra hàng nhưng quân Giải phóng hầu hết bố trí trong hầm hố và địa đạo tại dãy tường thành kiên cố tây nam quyết cố thủ không đầu hàng nên quân đội Hoa Kỳ phải dùng hỏa lực mạnh tấn công vào.

Ngày 21-2, quân Mỹ và Việt Nam Cộng Hòa đã chiếm toàn bộ tuyến Bôn Trì, Bôn Phổ, An Lưu, La Chữ, Quế Chữ, Cổ Bưu. Trong thành nội, chúng chiếm thêm cầu Thượng Tứ, dồn lực lượng quân Giải phóng về phía tây. Trước tình hình đó, để bảo toàn lực lượng tránh bị bao vây, ngày 22-2-1968, Khu uỷ Trị - Thiên và chỉ huy mặt trận Huế quyết định rút toàn bộ lực lượng ra ngoài thành phố.

Mãi tới trưa ngày 23 tháng 2/1968, hai đại đội thuộc một đơn vị Thủy Quân Lục Chiến Việt Nam Cộng Hòa đã chiếm cửa Hữu phía tây Thành Nội Huế sau khi thanh toán xong một lực lượng đối phương gồm 31 người, tịch thu một trung liên Bar, 4 súng trường M1, 4 khẩu carbine, một súng trường AK-47.[cần dẫn nguồn] Đồng thời một đơn vị khác của Thủy Quân Lục Chiến Việt Nam Cộng Hòa chạm súng với một lực lượng đối phương không rõ quân số tại khu vực tây nam Thành Nội Huế. Còn lực lượng Thủy Quân Lục Chiến Hoa Kỳ đã chiếm được một vòng lầu ở phía đông nam. Nhờ tính chiến lược của địa điểm này, quân Mỹ và đồng minh đã hoàn toàn kiểm soát được cầu Nguyễn Hoàng (tức cầu Tràng Tiền).

Trong trận đánh chiếm giữ thành phố, quân Giải phóng cũng thành công trong việc thành lập Mặt Trận Liên Minh Dân tộc Dân Chủ và Hoà Bình với Giáo sư Lê Văn Hảo làm chủ tịch, các ủy viên gồm có bà Thuần Chi, Thượng tọa Thích Ðôn Hậu, và hai đảng viên Cộng sản khác.

Quân Giải phóng rút khỏi Huế ngày 23 tháng 2/1968 và cuối ngày 24 tháng 2/1968 thì quân đội Hoa Kỳ tái kiểm soát hết các khu vực nội thành.